JP3613256B2 - Projection display - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光束を、赤、青、緑の3色光束に分離し、これらの各色光束を変調手段を通して映像情報に対応させて変調し、変調した後の各色の変調光束を再合成して、投写レンズを介してスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関するものである。
【0002】
【背景技術】
投写型表示装置は、光源ランプと、ここからの光束を3色の光束に分離する色分離手段と、分離された3色の色光束を変調する3枚のライトバルブと、変調された後の色光束を再合成する色合成手段と、合成により得られた光像をスクリーン上に拡大表示する投写レンズとから構成されている。ライトバルブとしては一般に液晶パネルが使用されている。
【0003】
従来におけるこの構成の投写型表示装置としては、その光源部分に、オプティカルインテグレータと呼ばれる均一照明光学素子が組み込まれたものが知られている。例えば、米国特許第5,098,184号公報には、このオプティカルインテグレータが組み込まれた投写型表示装置が開示されている。また、この公報には、色合成手段として、ダイクロイックミラーをX字状に配置した構成のものが記載されている。通常は、ガラス板上に誘電体多層膜を形成したダイクロイックミラーで構成される。
【0004】
このように色合成手段がダイクロイックミラーにより構成されているミラー合成系を備えた投写型表示装置においては、次のような問題点がある。すなわち、ダイクロイックミラーは、投写レンズの中心軸に対して非回転対称の光学要素となる。このため、スクリーン上の画像に非点収差が発生し、投写光学系の伝達特性を示すMTF(Modulation Transfer Function)特性が劣化する。この結果、画質にぼけが発生して鮮鋭度が低下する。MTF特性の劣化は、画素数に対して液晶パネルのサイズが大きい場合、すなわち、画素ピッチが大きい場合にはそれ程問題にはならない。しかし、例えばポリシリコンTFTをスイッチング素子として用いた液晶パネルの場合等のように画素ピッチが小さくなると、無視することができない。
【0005】
また、従来における投写型表示装置としては、色合成手段がダイクロイックプリズムにより構成されているプリズム合成系を備えた形式のものが知られている。ダイクロイックプリズムは、投写レンズの中心軸線に対して回転対称な光学要素である。よって、このプリズムによって発生する収差は、投写レンズの設計によって容易に取り除くことが可能であり、一般的に、プリズム合成系を備えた投写型表示装置におけるMTF特性は、上記のミラー合成系を備えたものに比べて優れている。したがって、画素ピッチの小さな液晶パネルをライトバルブとして用いる場合に適している。
【0006】
更に、従来における投写型表示装置としては、例えば、米国特許第4,943,154号に開示されたものがある。この装置においては、最も光路長の長い色光の光路に、リレーレンズ、フィールドレンズ等から構成される光伝達手段を介在させることにより、光量の減少および色むらを抑制するように構成されている。
【0007】
しかしながら、この装置においては、最も長い光路長の色光の光量を減少させないものの、光束の明るさ分布がリレーレンズによって180度回転してしまうので、元の明るさ分布が軸対称でない場合には、スクリ−ン上の表示に非軸対称の色むらが発生し、表示品位が劣化してしまう。光束の明るさ分布が軸対称であれば、このような色むらは発生しないが、実際には、光源ランプの取付け位置のずれ、光源ランプやその反射鏡の僅かな非対称性が原因となって、明るさ分布が非軸対称となってしまうのが通常である。
【0008】
ここで、投写型表示装置においては、その投写画像の照度を高めると共に、その色むら、照度むらを無くし、CRT直視の画像に近い画像品位を得ることが要望されている。このためには、色合成系としては、伝達特性の良いプリズム合成系を利用することが好ましい。また、オプティカルインテグレータを光源部分に用いて、液晶パネルを均一な明るさで、しかも効率良く照明することが好ましい。しかし、色分離系における各色光の光路長が異なっている場合には、オプティカルインテグレータをそのまま使用すると、最も長い光路に割り当てられた色光の光量減少、照度分布の変化が顕著になり、これが、投写画像に色むらや色温度の変化となって現れてしまう。このため、インテグレータの効果を充分に発揮させることができない。さらには、光源部分にオプティカルインテグレータを用いる場合には、従来技術をそのまま利用することができない。すなわち、オプティカルインテグレータを用いた照明では、液晶パネルから有限な位置(インテグレータの光束出射面)に存在する面光源からの発散光束が液晶パネルを照明することになるので、従来構成のように無限遠に存在する点光源からの照明と見なせる場合とは基本的に異なるからである。
【0009】
本発明の目的は、上記の従来の投写型表示装置に比べて、照度むら、色むら等のないより優れた品位の投写画像を形成可能な投写型表示装置を提案することにある。
【0010】
また、本発明の目的は、高品位の投写画像を形成することのできる廉価な投写型表示装置を提案することにある。
【0011】
さらに、本発明の目的は、従来に比べて照度の高い投写画像を形成可能な投写型表示装置を提案することにある。
【0012】
さらにまた、本発明の目的は、高い品位の投写画像を形成可能なコンパクトな投写型表示装置を提案することにある。
【0013】
さらに、本発明の別の目的は、フロント投写型として用いるのに適した構成の投写型表示装置を提案することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の投写型表示装置は、光源と、ここから出射された光束を3色の光束に分離する色分離手段と、分離された各色の光束を変調する3枚の変調手段と、前記色分離手段によって分離されて前記3枚の変調手段のそれぞれに入射する各色の光束のうち、他の色光より光路長の長い光束の前記色分離手段と前記変調手段の間の光路上に配置された導光手段と、前記変調手段を介して変調された各色の変調光束を合成する色合成手段と、合成された変調光束をスクリーン上に投写する投写レンズとを有する投写型表示装置において、前記光源と前記色分離手段の間の光路に介挿され、前記光源からの光束を均一な矩形光束に変換して前記色分離手段に向けて出射する均一照明光学手段と、前記色分離手段における各色の光束を出射する光束出射部にそれぞれ配置され、前記均一照明光学手段からの発散光束をほぼ平行な光束に変換する3枚の集光レンズとを有し、前記3枚の集光レンズのうち、前記色分離手段の前記他の色光より光路長の長い光束の光束出射部に配置された集光レンズは、前記ほぼ平行な光束を前記導光手段に向けて出射し、さらに、前記色合成手段をダイクロイックプリズムから構成し、前記導光手段として、入射側に配置されて光路を90度折り曲げる入射側三角柱プリズムと、出射側に配置されて光路を90度折り曲げる出射側三角柱プリズムと、これらの三角柱プリズムの間に配置された導光部材とを備えた構成のものを採用していることを特徴としている。この構成による本発明の投写型表示装置においては、均一照明光学手段を用いて変調手段を照明し、各色光の光路中に集光レンズを配置して発散光束を平行光束にすると共に、一つの色光を導光手段を通過させている。よって、本発明によれば、均一な照度分布で色むらが無く、従来よりも明るく高品位な投写画像を形成することができる。
【0015】
ここで、入射側三角柱プリズムの入射面及び出射側三角柱プリズムの出射面の形状は、変調手段の表示部の形状とほぼ同一であることが好ましく、導光部材としては四角柱プリズムを用いることができる。また、入射側三角柱プリズムと四角柱プリズムと出射側三角柱プリズムとは、入射側三角柱プリズムの出射面と四角柱プリズムの入射面との間、及び四角柱プリズムの出射面と出射側三角柱プリズムの入射面との間に間隙を有して配置されていることが好ましく、三角柱プリズムと四角柱プリズムの界面には無反射コーティングを施こすことが好ましい。さらには、三角柱プリズムの全反射面には金属膜あるいは誘電体多層膜のコーティングを施こすことが好ましい。
【0016】
次に、上記の変調手段としては液晶パネルを用いることができ、この場合には、液晶パネルの画素ピッチを約50μm以下として、投写画像の精細度を高めることが好ましい。
【0017】
一方、均一照明光学手段としては、複数のレンズを、光源ランプの出力光の主軸に垂直な面内に配列した構成のレンズ板を少なくとも1枚備えた構成のものを採用できる。この場合には、レンズ板における一方向のレンズ分割数を約3から約7の間とすることが好ましい。
【0018】
なお、上記の導光手段を通過させる色光としては、一般的に他の色光に比べて光量の多い緑色光とすることが好ましい。あるいは、上記の導光手段を通過させる色光としては、光量変化に伴う画質への影響が比較的目立ち難い青色光とすることが好ましい。
【0019】
ここに、均一照明光学手段として、第1のレンズ板と、第2のレンズ板と、これらの間に介在した反射鏡を備えた構成とし、光路を例えば直角に折り曲げるように構成してもよい。
【0020】
更に、均一照明光学手段に偏光変換手段を配置することが好ましい。この偏光変換手段は光源ランプからのランダム偏光をP波とS波の2つの直線偏光に分離する偏光分離要素と、分離された2つの偏光の偏光面を一致させる偏光面回転要素とから構成される。この偏光変換手段を用いると、光源ランプからの出射光の利用効率を高めることができるので、その分、投写画像の照度を高めることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【0022】
1.参考例
図1には、本発明の参考例に係る投写型表示装置の光学系を示してある。本例の投写型表示装置1は、光源2と、均一照明光学素子3から構成される照明光学系2Aと、この照明光学系2Aから均一照明光学素子3を介して出射される光束Wを、赤、緑、青の各色光束R、G、Bに分離する色分離光学系4と、各色光束を変調するライトバルブとしての3枚の液晶パネル5R、5G、5Bと、変調された色光束を再合成する色合成光学系6と、合成された光束をスクリーン8上に拡大投写する投写レンズ7を有している。また、色分離光学系4によって分離された各色光束のうち、緑色光束Gを対応する液晶バルブ5Gに導く導光系9を有している。
【0023】
本例の光源2は、光源ランプ21と曲面反射鏡22で構成されており、光源ランプ21としてはハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等を用いることができる。均一照明光学系3は詳細を後述するが、照明光学系の中心光軸1aに垂直な平面上に配置された第1のレンズ板31と第2のレンズ板32で構成されている。
【0024】
色分離光学系4は、青緑反射ダイクロイックミラー401と青反射ダイクロイックミラー402と反射鏡403から構成される。光束Wは、まず、青緑反射ダイクロイックミラー401において、そこに含まれている青色光束Bおよび緑色光束Gが直角に反射されて、青反射ダイクロイックミラー402の側に向かう。赤色光束Rはこのミラー401を通過して、後方の反射鏡403で直角に反射されて、赤色光束の出射部404から色合成光学系の側に出射される。ミラー401において反射された青および緑の光束B、Gは、青反射ダイクロイックミラー402において、青色光束Bのみが直角に反射されて、青色光束の出射部405から色合成光学系の側に出射される。このミラー402を通過した緑色光束Gは、緑色光束の出射部406から導光系9の側に向けて出射される。本例では、均一照明光学素子3の光束の出射部から、色分離光学系4における各色光束の出射部404、405、406までの距離が全て等しくなるように設定されている。ここで、本例においては、色分離光学系4の各色光束の出射部404、405、406の出射側には、それぞれ、平凸レンズからなる集光レンズ101、102および103が配置されている。したがって、各出射部から出射した各色光束は、これらの集光レンズ101乃至103に入射して平行化される。
【0025】
平行化された後の各色光束R、G、Bのうち、赤色および青色の光束R、Bは、集光レンズ101、102の直後に配置されている液晶パネル5R、5Bに入射して変調され、各色光に対応した映像情報が付加される。すなわち、これらの液晶パネルは、不図示の駆動手段によって映像情報に応じてスイッチング制御が行われ、これにより、ここを通過する各色光の変調が行われる。このような駆動手段は公知の手段をそのまま使用することができ、本例においてはその説明を省略する。一方、緑色光束Gは、導光系9を介して、対応する液晶パネル5Gに導かれ、ここにおいて、同様に、映像情報に応じて変調が施される。本例の液晶パネルは、ポリシリコンTFTをスイッチング素子として用いた画素ピッチが50μm以下のものを使用している。
【0026】
本例における導光系9は、入射側反射鏡91と出射側反射鏡92と、これらの間に配置された中間レンズ93から構成されている。本例では、中間レンズ93の焦点距離を、この導光系9の全光路長に等しく設定してある。この焦点距離としては、導光系の全光路長の約0.9から約1.1倍の範囲内に設定することができる。ここで、各色光束の光路長、すなわち、光源ランプ21から各液晶パネルまでの距離は、緑色光束Gが最も長くなり、したがって、この光束の光量損失が最も多くなる。しかし、本例のように、導光系9を介在させることにより、光量損失を抑制できる。なお、導光系9を通過させる色光束は、赤あるいは青色の光束とすることもできる。しかし、一般的には通常の投写型表示装置においては緑の光量が他の色の光量に比べて大きいので、緑色光束を、導光系9を通過する光路に割り当てることが好ましい。ただし、色バランスよりも明るさや画質の均一性を優先させる場合は、導光系9に視感度が低くて比較的照度むらの目立ちにくい青色光束を割り当てればよい。
【0027】
次に、各液晶パネル5R、5G、5Bを通って変調された各色光束は、色合成光学系6に入射され、ここで再合成される。本例ではダイクロイックプリズムを用いて色合成光学系6を構成している。色合成光学系6としては、ダイクロイックミラーをX字状に配置した構成のミラー合成系を利用することも可能である。しかし、色合成光学系がダイクロイックミラーにより構成されているミラー合成系を備えた投写型表示装置においては、ダイクロイックミラーが投写レンズの中心軸に対して非回転対称の光学要素となる。このため、スクリーン上の画像に非点収差が発生し、投写光学系のMTF(Modulation Transfer Function)特性が劣化する。この結果、画質にぼけが発生して鮮鋭度が低下する。MTF特性の劣化は、画素数に対して液晶パネルのサイズが大きい場合、すなわち、画素ピッチが大きい場合にはそれ程問題にはならない。しかし、本例のように、ポリシリコンTFTをスイッチング素子として用いた液晶パネルの場合等のように画素ピッチが小さくなると、無視することができない。本例では、色合成光学系6としてダイクロイックプリズムを用いているので、このような弊害の発生を回避することができる。
【0028】
この点を図2を参照して説明する。この図には、本例のプリズム合成系を備えた投写型表示装置と、色合成系をミラー合成系とした場合における投写型表示装置におけるMTF特性を示してある。この図において、横軸は液晶パネルの画素の細かさを示す空間周波数(1ine/mm)であり、縦軸はMTF(%)を示してある。実線は、プリズム合成系を備えた投写光学系における特性である。太い実線は画面中心部の特性であり、細い実線は画面周辺部の特性である。同様に、破線はミラー合成系を備えた投写光学系における特性である。太い破線は画面中心部の特性であり、細い破線はその周辺部の特性である。
【0029】
投写レンズ単体でのMTF特性は、ミラー合成系では、45度の角度でミラーが挿入されるので非点収差が発生して劣化している。本例のように、ポリシリコンTFTをスイッチング素子として用いた画素ピッチが50μm以下の液晶パネルでは、空間周波数が20(1ine/mm)においては30%以上のMTF特性が必要である。しかし、ミラー合成系を用いた場合には、画面周辺部で充分なMTF特性が得られないことが分かる。これに対して、本例のように、プリズム合成系を用いた場合には、プリズムによって発生する収差を投写レンズの設計で取り除くことができるので、MTF特性の劣化がないことが分かる。
【0030】
本例の装置においては、ダイクロイックプリズムからなる色合成系おいて各色光束が合成されて、光学像が得られ、この光学像が、投写レンズ7によって、スクリーン8上に拡大投写される。投写レンズとしては、テレセントリック系に近いものが好ましい。
【0031】
(照明光学系)
本例の照明光学系における均一照明光学素子3に適したものとしては、露光機に一般的に使用されているインテグレータレンズがある。投写型表示装置に使用する場合の基本的な構成を図3(A)に示してある。この図に示すように、均一照明光学素子3は第1のレンズ板31と第2のレンズ板32から構成されている。第1のレンズ板31は、複数の矩形レンズ301をマトリックス状に配列した構成となっており、同様に、第2のレンズ板32も矩形レンズ302をマトリックス状に配列した構成となっている。第1のレンズ板31の各矩形レンズ301の形状は、照明対象の液晶パネルの形状に相似形とされる。これらの各矩形レンズ301の像が、第2のレンズ板32を構成している各矩形レンズ302の対応する矩形レンズによって、液晶パネル上に重畳結像される。したがって、液晶パネルは、均一な照度で色むらが殆ど無い状態で照明される。
【0032】
本例では、各レンズ板31、32において、4行×3列のマトリックスとなるように矩形レンズを配置してある。縦方向あるいは横方向の最大分割数としては、約3乃至7の範囲が好ましい。また、第1のレンズ板31と第2のレンズ板32は必ずしも分離する必要はない。各矩形レンズの寸法を小さくして、入射光束の分割数を増やすことにより、各レンズ板31、32を接近させることができる。さらには、1枚のレンズ仮に一体化することも可能である。
【0033】
ここで、図5を参照して、均一照明光学素子3を構成している各レンズ板31、32の矩形レンズによる分割数と色むらとの関係を説明する。図5のグラフは、横軸に第1および第2のレンズ板(インテグレータレンズ)の分割数を取り、縦軸には色むらを、スクリーン8上における中央部(1箇所)と周辺部(4箇所)の間における色の違いをU’V’色度座標上における差として表示したものである。この色むらを示す値は、小さい程、色むらの程度が小さいことを示す。図において破線で示す値は、色むらとして許容できると判断される最大色むらである。
【0034】
このグラフから分かるように、分割数を3以上にすることが好ましい。しかしながら、製造上の観点からは分割数を増やすとコスト高につながってしまう。したがって、実用的な分割数は、約3から約7の範囲である。
【0035】
次に、図3(B)には、均一照明光学菓子3を構成する第1のレンズ板31および第2のレンズ板32の別の構成例を示してある。この図に示す例においても、各レンズ板は同一寸法の矩形レンズ板から構成されている。しかし、矩形レンズの配列状態は、縦方向の分割数は7であり、横方向においては、上下の行が3分割であり、中央の3行が5分割であり、これらの間の行が4分割となっている。
【0036】
均一照明光学素子3としては、図4に示すように複数の円柱レンズ301’で構成される第1のレンズ板31と、同じく複数の円柱レンズ302’で構成される第2のレンズ板32を用いて構成する方法もある。この場合の照度は、一方向のみ均一化され、図3(A)、(B)の場合に比べて照明対象の中心照度が高くなる。また、この場合、レンズ構成が比較的簡単であることから、薄型化が容易である。
【0037】
次に、図6(A)を参照して、上記の構成の均一照明光学素子3を用いて液晶パネル5R、5G、5Bを照明する場合の作用を説明する。光源2を構成する光源ランプ21としては前述したようにハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等の点に近い発光源を使用する。またランプからの放射光束は反射鏡22で反射される。反射鏡22の反射面形状としては楕円面を使用することができ、この場合、その第1焦点を光源ランプ21の発光部に一致させ、第2焦点を液晶パネル5(5R、5G、5B)の中心位置に一致させる。この結果、反射鏡22の反射光束は、液晶パネル5の中心部に向かう。この場合には、第1のレンズ板31の各矩形レンズ301の中心から、液晶パネル5の中心に向かう線上に第2のレンズ板32の各矩形レンズ302の中心が位置するように、第2のレンズ板32の寸法、すなわち、このレンズ板を構成している各矩形レンズ302の寸法は、第1のレンズ板の側よりも小さく設定される。
【0038】
第1のレンズ板31の各矩形レンズ301は、対応する第2のレンズ板32の各矩形レンズ302の中心に光束を集中させる。第2のレンズ板32の各矩形レンズ302は、対応する第1のレンズ板の側の矩形レンズ301のレンズの像を、液晶パネル5の表示領域5A(図において斜線で示す領域)に重畳結像させる。第2のレンズ板32の各矩形レンズ302の中心には、このように、光源ランプ21の発光部の像が形成されるので、第2のレンズ板32の全体が2次光源として機能する。従って、例えば液晶パネル5の表示領域5Aの端に入射する光束の主光線303は、第2のレンズ板32の中心と表示領域5Aの端を結ぶ線分に一致する。すなわち、液晶パネル5への照明光束は、第2のレンズ板32からの発散光となっているので、液晶パネル5に平行光を入射させるためには、発散光を平行化する必要がある。この目的のために、本例では、集光レンズ101、102、103が配置されている。この集光レンズの焦点距離は。第2のレンズ板32と集光レンズの距離bに等しく設定される。本例では、集光レンズとして、液晶パネル5の側に凸面を向けた状態に配置した平凸レンズを用いている。凸面を第2のレンズ板の側に向けた状態に配置してもよい。平凸レンズの代わりに、両凸レンズ、フレネルレンズを用いることもできる。このように、集光レンズ101、102、103を配置することにより、液晶パネル5を介して出射される光束の主光線は、照明系全体の中心軸1aに平行になる。
【0039】
次に、図6(B)には、照明光学系の変形例を示してある。この例では、光源2の反射鏡22の反射面として放物面を用いている。この場合には、放物面の焦点は光源ランプ21の発光部に一致させるので、反射鏡22で反射された光束は、照明系の中心軸1aにほぼ平行な光束になる。したがって、この場合に使用する均一照明光学素子3は、同一寸法の第1のレンズ板31’および第2のレンズ板32’で構成され、各レンズ板を構成している矩形レンズの焦点距離も等しい。第2のレンズ板32’の各矩形レンズ302’は、対応する第1のレンズ板31’の矩形レンズの像を無限遠に結像させる。したがって、この場合には、レンズ306を付加して、無限遠にできるはずの像を液晶パネル5の表示領域5A上に形成する。レンズ306の焦点距離は、このレンズと液晶パネル5の距離に等しくなるように設定される。なお、レンズ306を第2のレンズ板32と一体化することもできる。
【0040】
なお、各レンズ板31、32の矩形レンズによる分割数が比較的少ない場合は、各レンズ板間の距離を比較的大きくすることができ、図15に示されるように、各レンズ板の間に、反射鏡33を介在させることが可能である。この場合、均一照明光学素子の占める体積が前例の場合の1/2程度になるという利点がある。また、この図に示されるように、全光学系の配置を正方形に近づけることができ、装置全体の小型化に寄与する。
【0041】
(導光系)
前述したように、本例の導光系9は、2枚の反射鏡91、92とこれらの間に配置した中間レンズ93から構成されている。本例に適用可能な導光系の別の構成例を以下に説明する。
【0042】
まず、図7に示す導光系9Aは本例の導光系9から中間レンズ93を省略した構成となっている。
【0043】
次に、図8(A)に示す導光系9Bは、本例の導光系9の構成に加えて、その入射部側に入射レンズ94を付加すると共に、その出射部側に出射レンズ95を付加したした構成となっている。
【0044】
図8(B)を参照して、この構成の導光系9Bの動作を説明する。図においては、説明を容易にするために、一対の反射鏡91、92を省略した直線系として示してある。図に示すように、中間レンズ93は導光系9Bの全光路のちょうど中心にあり、全光路長を2aとすると、中間レンズ93の焦点距離はa/2にほぼ等しくなるように設定してある。従って、中間レンズ93は、導光系9Bの入射側における物体96の像を、導光系の出射側に反転像97として結像させる。すなわち、入射側の照度分布が出射側において180度回転して伝達される。しかし、本例では均一照明光学素子3を備えた照明光学系を用いているので、照度分布は180度の回転に対してほぼ対称となっている。よって、照度分布がこのように回転あるいは反転しても、表示の色むらが発生することはない。
【0045】
一方、入射レンズ94は、その焦点距離が中間レンズ93までの距離aに等しく、集光レンズ103を通過して平行になった光束Gの主光線9aを中間レンズ93の中心に向ける。従って、中間レンズ93の中心部には、均一照明光学素子3の出射側の第2のレンズ板32の像が形成される。また、出射レンズ95の焦点距離もaに等しくなるように設定してあり、中間レンズ93の中心から発散する光束の主光線を平行にして出射する。入射レンズ94は、図に示すように、平凸レンズであり、その凸面の側を入射側に向けて配置してあり、これにより、レンズの球面収差を小さくしている。出射レンズ95も平凸レンズであり、その凸面側が出射側に向くように配置してある。
【0046】
なお、入射レンズおよび出射レンズの焦点距離は、導光系9Bの全光路長(2a)の約0.5から約0.7倍の範囲内に設定すればよい。また、中間レンズの焦点距離は、球面収差を小さくする観点から、全光路長(2a)の1/4よりも僅かに長くすることが好ましく、約0.25から約0.4倍の範囲内に設定すればよい。
【0047】
図9(A)には、上記の導光系9Bの変形例を示してある。この図に示す導光系9Cにおいては、導光系9Bにおける入射レンズ94を、その光路方向の手前に配置されている集光レンズ103と一体化したレンズ97としてある。このレンズ97の焦点距離は、入射レンズ94と集光レンズ103の屈折力を足し合わせた値に設定される。すなわち、図9(B)に示すように、ab/(a+b)に設定される。このレンズ97は球面収差を小さくするために、両凸レンズとすることが好ましい。なお、この図9(B)においては、中間レンズ93を、2枚の平凸レンズ931、932で構成した状態で示してある。図に示すように、この場合には、各平凸レンズ931、932の焦点距離をaに設定する。また、各レンズの凸面を向かい合わせた状態で配置することにより、両凸レンズ1枚の場合に比べて、球面収差を極めて小さくすることができる。この結果、導光系の入射側における照度分布を極めて正確に出射側に伝達することができる。
【0048】
次に、図10には、導光系9Cの変形例を示してある。図に示す導光系9Dにおいては、上記の導光系9Cにおいて一体化したレンズ97を、非球面レンズ98としてある。このように非球面レンズ98を用いることにより、両凸レンズを使用する場合にくらべて、さらに球面収差を小さくすることができる。よって、導光系の入射側における照度分布を極めて正確に出射側に伝達することができる。
【0049】
(参考例の効果)
以上説明したように、本例の投写型表示装置1においては、その照明光学系として均一照明光学素子3を備えたものを使用し、色合成光学系には軸対称光学素子であるダイクロイックプリズムを使用している。したがって、色むらや照度むらが少なく、しかも照明効率の高い投写型表示装置を実現できる。また、ダイクロイックプリズムからなる色合成系を用いているので、投写レンズの焦点距離を短くでき、短距離での大画面表示が可能となる。よって、本例の構成をリアープロジェクターに適用すれば、その奥行きを短くできるので、装置をコンパクトにすることができる。
【0050】
また、導光系を構成している光学素子である中間レンズ、入射レンズ、出射レンズの焦点距離を適切な値に設定しているので、ここを通過する色光束の色むらの発生、光量損失を少なくでき、これによっても、投写画像の色むら、照度むら等の発生を抑制でき、また、明るい画像を形成することが可能になる。
【0051】
さらには、導光系における入射レンズと、集光レンズとを一体化した構成を採用した場合には、構成要素を少なくできるので、その分、光学系をコンパクトで廉価にすることができる。また、一体化したレンズを非球面レンズとした場合には、光学系をコンパクトにできると共に球面収差も小さくすることができる。
【0052】
一方、本例においては、均一照明光学素子における分割数を3乃至7の範囲にしてあり、また、液晶パネルの画素ピッチを50μm以下に設定してあるので、投写画像に色むら、ぼけ等が発生することを抑制でき、したがって、画像品位の高い投写画像を形成することのできる投写型表示装置を実現できる。
【0053】
2.第1の実施例
図11には本発明の第1の実施例に係る投写型表示装置を示してある。本例の投写型表示装置100は、その導光系の構成以外は前述した参考例の投写型表示装置1と同一である。したがって、対応する部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
【0054】
本例の投写型表示装置100における導光系9Eは、入射側の三角柱プリズム901と、出射側の三角柱プリズム902と、これらの間に配置した四角柱プリズム903から構成されている。
【0055】
図11(B)を参照して本例の導光系9Eの働きを説明する。集光レンズ103によって平行化された光束は、三角柱プリズム901の入射面904に垂直に入射し、全反射面905で反射されて出射面906から出射する。全反射面905は、単に硝材あるいはプラスチックの光学平坦面であってもよい。しかし、入射光束中に全反射されないような角度の光線が含まれる場合は、アルミニウム、銀等の金属膜をコーティングすることが好ましい。この代わりに、誘電体多層反射膜をコーティングしてもよい。入射面904と出射面906は、図においても示すように、全反射による導光の働きがあるので、空気と硝材の界面である必要があり、隣接する光学要素と接着させることができない。従って、三角柱プリズム901は、5つの面が全て光学的平坦面であることが必要であり、場合によっては入射面904と出射面906に減反射コーティングを施す必要がある。特に、隣接する四角柱プリズム903との界面には、無反射コーティングを施すことが好ましい。
【0056】
四角柱プリズム903は、6つの面が全て光学的平坦面であり、通過する光束の主軸に平行な4つの面907は、全反射によって光束を導く。出射側の三角柱プリズム902は、入射側の三角柱プリズム901と同一構成である。出射した光束は、液晶パネル5Gの表示部5Aに入射される。
【0057】
光束の伝達率を高くするために、三角柱プリズム901の入射面904の形状と、三角柱プリズム902の出射面の形状は、液晶パネル5Gの表示部5Aの矩形形状とほぼ同一にする。ここで、照明光学系の均一照明光学素子3は、図3に示すように、矩形レンズをマトリックス状に配置した第1および第2のレンズ板31、32から構成されている。したがって、入射側の三角柱プリズム901の入射面904は、その矩形形状に合わせてほぼ均一に照明される。3つのプリズムは、入射光束の光量と平行性と均一な明るさ分布を保持した状態のままで、液晶パネル5Gの表示部5Aに伝達される。出射側の三角柱プリズム902と液晶パネル5Gは近接配置する必要があるが、無視できない距離がある場合には、導光のためのプリズムやレンズを追加配置すればよい。
【0058】
このように構成した本例の投写型表示装置によって、前述した参考例の場合と同様な効果を得ることができる。なお、本例における導光系の四角柱プリズム903の代わりに、例えば、4枚の反射鏡を組み合わせて筒状とした導光部材を用いてもよい。
【0059】
なお、図11(B)の四角柱プリズム903は、図12(A)に示すような4枚の反射鏡903’により構成される筒状の導光系であってもよい。導光面の反射率はわずかに低くなるものの、働きとしては同一になる。また、導光系を図12(B)に示すように、上下の2枚の反射板911、912と、光路の折り曲げのための2枚の反射鏡913、914で構成してもよい。この場合は、入射光束を損失なく伝達することはできないが、レンズ103の焦点距離を幾分か短くすることで、損失量を少なくすることができる。この場合は照度分布を保存することができないので図4で示したような円柱レンズを用いた均一照明光学素子の場合に適した方法である。
【0060】
3.第2の実施例
図16には、本発明の第2の実施例に係る投写型表示装置を示してある。本例の投写型表示装置500は、その導光系の構成以外は前述した参考例と同一である。したがって、対応する部分には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
【0061】
本例の投写型表示装置500における導光系9Fは、入射側のフィールドレンズ921と出射側のフィールドレンズ922と凹面鏡923で構成されている。導光系9Fの入射部付近にある集光レンズ103と、フィールドレンズ921とを一体化して一枚のレンズで代用することもできる。
【0062】
この構成を有する導光系9Gを、図17に示してある。一体化したレンズ924は図に示すように偏心した両凸レンズで構成される。
【0063】
上記の導光系9Fの具体的構成を図18(A)に示す。光路の中心にある凹面鏡923とフィールドレンズ921あるいはフィールドレンズ922までの距離をaとすると、凹面鏡923の焦点距離はa/2にほぼ等しい。この凹面鏡923の曲面形状は、球面あるいは楕円面である。従って、凹面鏡923は、入射部の物体802の像を出射部に反射像803として結像し、実際には、入射部の照度分布が出射部において反転して出力される。フィールドレンズ921と922の焦点距離はaに等しく、それぞれのレンズの光軸801は両者の中心で一致している。入射側のフィールドレンズ921は、集光レンズ103から平行光束を凹面鏡923の中心に集める。出射側のフィールドレンズ922は、凹面鏡923からの反射光束を、液晶パネル5Gに垂直な光束となるように屈折させる。
【0064】
なお、導光系9Fを、図18(B)に示すように構成することもできる。この図に示す導光系9Hでは、上記の導光系9Eにおける2枚のフィールドレンズ921、922を、一枚のレンズ806で構成し、凹面鏡923を平面鏡804に置き換えて、レンズ806からa/2の距離に配置してある。さらに、レンズ806の光軸807に垂直に平面鏡805を配置してある。導光系9Hに入射する平行光束は、レンズ806の端部を通って平面鏡804で反射され、平面鏡805の中心に集まる。平面鏡805から反射された光束は、平面鏡804で反射されてからレンズ806の端部を通り、液晶パネル5Gの表示部5Aに垂直に入射する。入射部の物体802の像を出射部の反転像803として形成させるのはレンズ806の中心部であり、光束はレンズ806の中心部を2回通過するので、焦点距離がa/2のレンズを通過したことと同じになる。本例の構成は、上記の導光系9Fの場合よりもサイズが小さくなるという利点がある。
【0065】
4.第3の実施例
図13には本発明の第3の実施例に係る投写型表示装置を示してある。本例の投写型表示装置200は光学系をそのケース201内にコンパクトに収納するための工夫がなされている。本例における光学系は、照明光学系2Bと、色分離光学系4と、ライトバブル5R、5Gおよび5Bと、色合成光学系6と、投写レンズ7と、導光系9Dから構成されている。これらのうち、色分離光学系4、ライトバルブ5R、5G、5B、色合成光学系6、投写レンズ7は、参考例の装置100における場合と同一である。また、導光系9Dは、図10に示すものと同一である。したがって、これらの部分における対応する部位には同一の符号を付し、それらの各部位の説明は省略する。
【0066】
本例の装置200においては、照明光学系2Bからの出射光の中心軸1aと、投写レンズ7の光軸7aとが平行となるようにするために、照明光学系2Bにおいて、光源ランプ21からの出射光の方向を直角に折り曲げるようにしている。また、照明光学系2Bは、偏光変換系11を備えた構成となっている。
【0067】
すなわち、本例の照明光学系2Bは、ランプ21および反射鏡22から構成した光源2と、この出射側に配置した偏光変換素子11と、この出射側に配置した均一照明光学素子3Aから構成されている。
【0068】
図14に示すように、本例の偏光変換素子11は、偏光ビームスプリッタ111と、反射鏡112と、λ/2位相差板113から構成される。光源2から出射されたランダム偏光114は、偏光分離要素である偏光ビームスプリッタ111によって、P偏光115とS偏光116の2つの直線偏光に分離される。偏光ビームスプリッタ111の偏光分離機能は入射角依存性を持つので、光源としては、平行性に優れた光を出射できる短アーク長のランプを備えたものが適している。分離されたP偏光115は、偏光面回転要素であるλ/2位相差板113を通過することにより、偏光面が90度回転してS偏光になる。一方、S偏光116はプリズム型反射鏡112によってその光路を折り曲げられるだけであり、そのままS偏光として出射される。本例では、反射鏡112は例えばアルムニウムの蒸着膜として形成されており、P偏光よりもS偏光の反射率が高いので、S偏光の光路を反射鏡112で折り曲げる配置構成としてある。反射鏡112としては、プリズム型の他に、一般的な平面型の反射鏡を使用してもよい。この構成の偏光変換素子11を通過することにより、光源からのランダム偏光114は、S偏光として出射される。なお、本例では、P偏光をS偏光に変換するようにしているが、逆に、S偏光をP偏光に変換して、偏光変換素子11からP偏光を出射させるようにしてもよい。
【0069】
次に、この偏光変換素子11の出射側に配置されている均一照明素子3Aは、出射されたS偏光116の主軸に垂直な平面上に配置された第1のレンズ板31と、これと直交する状態に配置された第2のレンズ板32と、これらのレンズ板31、32の間に配置され、光路を直角に折り曲げるための反射鏡33で構成されている。第1のレンズ板および第2のレンズ板の構成は参考例の場合と同一である。このように、均一照明素子3Aに入射した光束は、直角に折り曲げられて、ここから出射する。出射した白色のS偏光光束は、色分離光学系4において原色光束に分離される。分離された各色の光束は、ダイクロイックプリズムからなる色合成光学系6において合成され、投写レンズ7を介してスクリーン8上に拡大投影される。
【0070】
このように、本例の装置200においては、照明光学系2Bの出射方向に対して、投写光の方向を平行で逆向きとなるように、光路を形成すると共に、光源2の背面側におけるケース201内には、光源ランプ21による発熱を抑えるための冷却ファン12を配置してある。
【0071】
したがって、本例の装置200においては、その使用時において、冷却に使用されて温まった空気が投写光と同一方向に排出される。このため、この投写型表示装置をフロント投写型として、反射型のスクリーン上に映像を表示して観察するような場合には、観察者は通常は装置よりも後ろ側にいる。したがって、冷却ファンの騒音、あるいはそこから吹きだす温風によって、観察者の視聴が妨げられることがないという利点がある。また、オーディオラックのような比較的設置スペースに余裕の無い場所に設置する場合にも、前面からの排気であるので、排気が周囲にこもってしまうという問題も発生しないので都合がよい。
【0072】
また、本例の装置200においては、照明光学系2Bは偏光変換素子11を備えている。したがって、光源から出射されるランダム偏光が特定の直線偏光に変換され、変換後の2つの光束が、発散損失を殆ど生ずることなく効果的に重畳結合されて出射される。よって、偏光のみを高効率で出射する明るい照明光学系を実現できる。さらには、本例では、出射された偏光光束を均一照明光学素子3Aに通過させているので、光源において発生している色むら、照度むらが抑制され、均一性の高い照明光を得ることができる。
【0073】
5.上記参考例並びに実施例の効果
以上説明したように、上記参考例並びに実施例にかかる投写型表示装置は、照明光学系に均一照明光学素子を備え、また、色合成系にはダイクロイックプリズムを備え、さらに、色分離系における最も光路長の長い色光束の光路には導光系を配置し、さらにまた、色分離系を介して分離された各色の発散光束を集光レンズを介して平行光束としてライトバルブに照射するようにした構成を採用している。したがって、均一照明光学素子によって光源からの光の色むら、照度むらが抑制され、また、色合成系はミラー合成系に比べて色むら、照度むらの発生が少ないプリズム合成系であり、ここでの色むら等の発生も少ない。また、導光系を介して、光路長の長い色光束の光が光量損失が殆ど無い状態で伝達され、集光レンズによって平行光束がライトバルブに照射されるので、光量損失が少なく、照明効率が改善される。よって、上記参考例並びに実施例によれば、従来に比べて、色むら、照度むらが少なく、しかも照明効率の高い投写型表示装置を実現することができる。
【0074】
また、上記参考例並びに実施例においては、その導光系の構成要素であるレンズの焦点距離を適切な値に設定し、あるいは、導光系としてプリズムを使用している。この構成によれば、導光系での色むら、光量損失を抑制できるので、色むらが少なく、照明効率の高い投写画像を形成することができる。
【0075】
さらに、上記参考例並びに実施例においては、投写光学系の中心軸に対して回転対称な要素であるダイクロイックプリズムを色合成系として使用し、ライトバルブとして画素ピッチが約50μm以下と小さなピッチの液晶パネルを使用している。したがって、上記参考例並びに実施例によれば、解像度のよい投写画像を形成できると共に、ポリシリコンTFT等の小型化が容易な液晶パネルを利用して装置全体を小型にすることができる。
【0076】
また、上記参考例並びに実施例では、均一照明光学素子を構成しているレンズ板の分割数を3から7の範囲内に設定してあるので、色むらが抑制された投写画像を形成することができる。
【0077】
さらには、上記参考例並びに実施例では、照明光学系に偏光変換素子を備えた構成を採用しているので、光源ランプからの出射光束の発散損失を抑制でき、明るい投写画像を形成することができる。
【0078】
一方、本発明の投写型表示装置においては、その照明光学系からの出射光の進行方向に対して、投写光を逆向きで平行な方向に出射できるように光路を構成し、投写光が出射する装置ケース側に、光源ランプの冷却手段を配置した構成を採用している。この構成によれば、フロントプロジェクターとして利用する場合には、投写画像の観察者が位置する側とは反対側に冷却手段が位置し、そこからの排気が観察者の側とは反対側に吹きだされる。よって、冷却手段の騒音、そこからの排気が、観察者の邪魔になることが無いという利点がある。
【0079】
一方、上記参考例並びに実施例によれば、上記の各効果に加えて、光学系の投写レンズのバックフォーカスが短いので、短距離の大画面投写が容易である。よって、プレゼンテーション用途や、家庭のホームシアター用途に適した投写型表示装置を実現できる。また、投写レンズのバックフォーカスが短いので、Fナンバーが小さく、明るい投写レンズを、少ないレンズ枚数で実現でき、装置を低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の参考例に係る投写型表示装置の光学系の構成を示す概略構成図である。
【図2】投写型表示装置においてライトバルブとして使用される液晶パネルの画素密度と伝達特性(MTF)との関係を示すグラフである。
【図3】(A)および(B)は、それぞれ、図1の均一照明光学素子を構成している第1および第2のレンズ板の構成を示す概略斜視図である。
【図4】図1の均一照明光学素子を構成している第1および第2のレンズ板の構成を示す概略斜視図である。
【図5】均一照明光学素子のレンズ板の分割数と色むらとの関係を示すグラフである。
【図6】(A)および(B)は、均一照明光学素子の働きを説明するための説明図である。
【図7】本発明の参考例における導光系の変形例を示す概略構成図である。
【図8】(A)および(B)は、本発明の参考例における導光系の別の変形例を示す概略構成図、およびその働きを示す説明図である。
【図9】(A)および(B)は、本発明の参考例における導光系の更に別の変形例を示す概略構成図、およびその働きを示す説明図である。
【図10】図9(A)に示す導光系の変形例を示す概略構成図である。
【図11】(A)および(B)は、本発明の実施例に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図、およびその導光系を示す説明図である。
【図12】(A)および(B)は、図11(B)の変形例を示す説明図である。
【図13】本発明の第3の実施例に係る投写型表示装置の光学系および冷却ファンを示す概略構成図である。
【図14】図13の照明光学系に組み込まれている偏光変換素子の構成を示す説明図である。
【図15】図1における均一照明光学素子の変形例を示す概略構成図である。
【図16】本発明の第2の実施例に係る投写型表示装置を示す概略構成図である。
【図17】本発明の第2の実施例に係る投写型表示装置の変形例を示す概略構成図である。
【図18】(A)は図16の導光系を示す説明図である。(B)は図18(A)に示す導光系の変形例を示す説明図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention separates the luminous flux from the light source into three color luminous fluxes of red, blue and green, modulates each of these colored luminous fluxes according to the video information through the modulation means, and re-modulates the modulated luminous flux of each color after modulation. The present invention relates to a projection display device that combines and projects an enlarged image on a screen via a projection lens.
[0002]
[Background]
The projection display device includes a light source lamp, color separation means for separating the light flux from the light source into three color light fluxes, three light valves for modulating the separated three color light fluxes, and It comprises color synthesizing means for recombining the color beams and a projection lens for enlarging and displaying the light image obtained by the synthesis on the screen. A liquid crystal panel is generally used as the light valve.
[0003]
As a conventional projection type display device having this configuration, a light source portion in which a uniform illumination optical element called an optical integrator is incorporated is known. For example, U.S. Pat. No. 5,098,184 discloses a projection display device incorporating this optical integrator. In addition, this publication describes a configuration in which dichroic mirrors are arranged in an X shape as color combining means. Usually, it is composed of a dichroic mirror in which a dielectric multilayer film is formed on a glass plate.
[0004]
As described above, the projection display apparatus having the mirror composition system in which the color composition means is constituted by the dichroic mirror has the following problems. That is, the dichroic mirror is a non-rotationally symmetric optical element with respect to the central axis of the projection lens. For this reason, astigmatism occurs in the image on the screen, and the MTF (Modulation Transfer Function) characteristic indicating the transfer characteristic of the projection optical system deteriorates. As a result, the image quality is blurred and the sharpness is lowered. The deterioration of the MTF characteristics is not so much a problem when the size of the liquid crystal panel is large with respect to the number of pixels, that is, when the pixel pitch is large. However, if the pixel pitch becomes small as in the case of a liquid crystal panel using a polysilicon TFT as a switching element, it cannot be ignored.
[0005]
Further, as a conventional projection display device, a type having a prism composition system in which a color composition means is constituted by a dichroic prism is known. The dichroic prism is an optical element that is rotationally symmetric with respect to the central axis of the projection lens. Therefore, the aberration generated by this prism can be easily removed by designing the projection lens. In general, the MTF characteristic in the projection display device having the prism synthesis system includes the mirror synthesis system described above. It is superior to that. Therefore, it is suitable when a liquid crystal panel having a small pixel pitch is used as a light valve.
[0006]
Further, as a conventional projection display device, for example, there is one disclosed in US Pat. No. 4,943,154. This apparatus is configured to suppress a reduction in light quantity and color unevenness by interposing a light transmission means composed of a relay lens, a field lens, etc. in the optical path of the color light having the longest optical path length.
[0007]
However, in this apparatus, although the light amount of the color light having the longest optical path length is not reduced, the brightness distribution of the light beam is rotated by 180 degrees by the relay lens, so when the original brightness distribution is not axially symmetric, Non-axisymmetric color unevenness occurs in the display on the screen, and the display quality deteriorates. If the brightness distribution of the luminous flux is axially symmetric, such color unevenness will not occur, but in reality, it is caused by a shift in the mounting position of the light source lamp and a slight asymmetry of the light source lamp and its reflecting mirror. In general, the brightness distribution is non-axisymmetric.
[0008]
Here, in the projection display device, it is desired to increase the illuminance of the projected image, eliminate the unevenness in color and illuminance, and obtain an image quality close to that of a CRT direct view image. For this purpose, it is preferable to use a prism synthesis system with good transfer characteristics as the color synthesis system. In addition, it is preferable to illuminate the liquid crystal panel with uniform brightness and efficiency by using an optical integrator for the light source portion. However, if the optical path length of each color light in the color separation system is different, if the optical integrator is used as it is, the amount of color light allocated to the longest optical path will decrease, and the change in illuminance distribution will become noticeable. Appears as an uneven color or a change in color temperature in the image. For this reason, the effect of an integrator cannot fully be exhibited. Furthermore, when an optical integrator is used for the light source portion, the conventional technology cannot be used as it is. In other words, in illumination using an optical integrator, divergent light from a surface light source existing at a finite position (light emission surface of the integrator) from the liquid crystal panel illuminates the liquid crystal panel. This is because it is fundamentally different from the case where it can be regarded as illumination from a point light source existing in.
[0009]
An object of the present invention is to propose a projection display device capable of forming a projection image of superior quality without uneven illuminance, uneven color, etc., as compared with the conventional projection display device described above.
[0010]
Another object of the present invention is to propose an inexpensive projection display device capable of forming a high-quality projection image.
[0011]
Furthermore, an object of the present invention is to propose a projection display device capable of forming a projected image with higher illuminance than in the prior art.
[0012]
Still another object of the present invention is to propose a compact projection display device capable of forming a high-quality projection image.
[0013]
Furthermore, another object of the present invention is to propose a projection display device having a configuration suitable for use as a front projection type.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a projection display device according to the present invention includes a light source, color separation means for separating a light beam emitted from the light source into three color light beams, and modulating light beams of each separated color. Of the light beams of the respective colors separated by the color separation means and incident on the three modulation means, the color separation means of the light flux having a longer optical path length than the other color light, and the modulation means A light guide unit disposed on an optical path between them, a color combining unit that combines the modulated light beams of the respective colors modulated via the modulation unit, and a projection lens that projects the combined modulated light beam on the screen. In the projection display apparatus, a uniform illumination optical unit that is inserted in an optical path between the light source and the color separation unit, converts a light beam from the light source into a uniform rectangular light beam, and emits the light toward the color separation unit. In the color separation means Each of the three condensing lenses disposed in the light beam emitting section for emitting the color light flux and converting the divergent light flux from the uniform illumination optical means into a substantially parallel light flux. Among these, the condensing lens disposed in the light beam emitting portion of the light beam having a longer optical path length than the other color light of the color separation means emits the substantially parallel light beam toward the light guide means, and further, the color Combining means comprises a dichroic prism, and as the light guiding means, an incident side triangular prism that is arranged on the incident side and bends the optical path by 90 degrees, an output side triangular prism that is arranged on the output side and bends the optical path by 90 degrees, and these It is characterized by adopting a structure including a light guide member disposed between the triangular prisms. In the projection display device of the present invention having this configuration, the modulation means is illuminated using the uniform illumination optical means, and a condensing lens is arranged in the optical path of each color light to make the divergent light beam into a parallel light beam. The colored light is passed through the light guide means. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a projected image with a uniform illuminance distribution, no color unevenness, and brighter and higher quality than the conventional one.
[0015]
Here, it is preferable that the shapes of the incident surface of the incident side triangular prism and the output surface of the output side triangular prism are substantially the same as the shape of the display unit of the modulation means, and a rectangular prism is used as the light guide member. it can. The incident side triangular prism, the square prism, and the output side triangular prism are respectively between the exit surface of the incident side triangular prism and the incident surface of the square prism, and between the exit surface of the square prism and the entrance of the output side triangular prism. It is preferable that there is a gap between the surface and the non-reflective coating is preferably applied to the interface between the triangular prism and the quadrangular prism. Furthermore, it is preferable to coat the total reflection surface of the triangular prism with a metal film or a dielectric multilayer film.
[0016]
Next, a liquid crystal panel can be used as the modulation means. In this case, it is preferable to increase the definition of the projected image by setting the pixel pitch of the liquid crystal panel to about 50 μm or less.
[0017]
On the other hand, as the uniform illumination optical means, it is possible to adopt a configuration having at least one lens plate having a configuration in which a plurality of lenses are arranged in a plane perpendicular to the main axis of the output light of the light source lamp. In this case, the number of lens divisions in one direction on the lens plate is preferably between about 3 and about 7.
[0018]
In general, it is preferable that the color light passing through the light guide unit is green light having a larger light quantity than other color lights. Alternatively, it is preferable that the color light that passes through the light guide unit is blue light that is relatively inconspicuous in the influence on the image quality due to the change in the light amount.
[0019]
Here, as the uniform illumination optical means, the first lens plate, the second lens plate, and the reflecting mirror interposed between them may be provided, and the optical path may be bent, for example, at a right angle. .
[0020]
Furthermore, it is preferable to arrange the polarization conversion means in the uniform illumination optical means. This polarization conversion means is composed of a polarization separation element that separates random polarization from the light source lamp into two linear polarizations of P wave and S wave, and a polarization plane rotation element that matches the polarization planes of the two separated polarizations. The If this polarization conversion means is used, the utilization efficiency of the light emitted from the light source lamp can be increased, and the illuminance of the projected image can be increased accordingly.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0022]
1. Reference example
FIG. 1 shows an optical system of a projection display device according to a reference example of the present invention. The projection display device 1 of this example includes an illumination optical system 2A composed of a light source 2, a uniform illumination optical element 3, and a light beam W emitted from the illumination optical system 2A via the uniform illumination optical element 3. A color separation optical system 4 that separates red, green, and blue color beams R, G, and B, three liquid crystal panels 5R, 5G, and 5B as light valves that modulate the color beams, and a modulated color beam. A color synthesizing optical system 6 for recombining and a projection lens 7 for enlarging and projecting the synthesized light flux on a screen 8 are provided. Moreover, it has the light guide system 9 which guides the green light beam G to the corresponding liquid crystal bulb 5G among the color light beams separated by the color separation optical system 4.
[0023]
The light source 2 of this example includes a light source lamp 21 and a curved reflecting mirror 22, and a halogen lamp, a metal halide lamp, a xenon lamp, or the like can be used as the light source lamp 21. Although the details of the uniform illumination optical system 3 will be described later, the uniform illumination optical system 3 includes a first lens plate 31 and a second lens plate 32 disposed on a plane perpendicular to the central optical axis 1a of the illumination optical system.
[0024]
The color separation optical system 4 includes a blue-green reflecting dichroic mirror 401, a blue reflecting dichroic mirror 402, and a reflecting mirror 403. First, in the blue-green reflecting dichroic mirror 401, the blue light beam B and the green light beam G contained therein are reflected at right angles, and the light beam W is directed toward the blue reflecting dichroic mirror 402. The red light beam R passes through the mirror 401, is reflected at a right angle by the rear reflecting mirror 403, and is emitted from the red light beam emitting portion 404 to the color synthesis optical system side. The blue and green light beams B and G reflected by the mirror 401 are reflected by the blue reflection dichroic mirror 402 only at a right angle, and emitted from the blue light beam emitting portion 405 to the color synthesis optical system side. The The green light beam G that has passed through the mirror 402 is emitted from the green light beam emitting portion 406 toward the light guide system 9. In this example, the distances from the light beam emitting portions of the uniform illumination optical element 3 to the light beam emitting portions 404, 405, and 406 of each color light beam in the color separation optical system 4 are all set to be equal. Here, in this example, condensing lenses 101, 102, and 103 each including a plano-convex lens are disposed on the emission side of the emission portions 404, 405, and 406 of each color light beam of the color separation optical system 4, respectively. Therefore, each color light beam emitted from each emission part is incident on these condenser lenses 101 to 103 and is collimated.
[0025]
Of the color beams R, G, and B after being collimated, the red and blue light beams R and B are incident on the liquid crystal panels 5R and 5B disposed immediately after the condenser lenses 101 and 102 and modulated. Video information corresponding to each color light is added. That is, in these liquid crystal panels, switching control is performed in accordance with video information by a driving unit (not shown), thereby modulating each color light passing therethrough. As such driving means, known means can be used as they are, and description thereof is omitted in this example. On the other hand, the green light beam G is guided to the corresponding liquid crystal panel 5G through the light guide system 9, and is similarly modulated according to the video information. The liquid crystal panel of this example uses a TFT having a pixel pitch of 50 μm or less using a polysilicon TFT as a switching element.
[0026]
The light guide system 9 in this example includes an incident-side reflecting mirror 91, an emitting-side reflecting mirror 92, and an intermediate lens 93 disposed therebetween. In this example, the focal length of the intermediate lens 93 is set equal to the total optical path length of the light guide system 9. The focal length can be set within a range of about 0.9 to about 1.1 times the total optical path length of the light guide system. Here, the light path length of each color light beam, that is, the distance from the light source lamp 21 to each liquid crystal panel, the green light beam G is the longest, and therefore the light amount loss of this light beam is the largest. However, the light loss can be suppressed by interposing the light guide system 9 as in this example. The color light beam that passes through the light guide system 9 may be a red or blue light beam. However, generally, in a normal projection display device, the amount of green light is larger than the amount of light of other colors, so it is preferable to assign the green light beam to the optical path passing through the light guide system 9. However, when priority is given to brightness and uniformity of image quality over color balance, a blue luminous flux with low visibility and relatively less noticeable illuminance unevenness may be assigned to the light guide system 9.
[0027]
Next, each color beam modulated through the respective liquid crystal panels 5R, 5G, and 5B is incident on the color synthesis optical system 6, where it is recombined. In this example, the color synthesizing optical system 6 is configured using a dichroic prism. As the color synthesis optical system 6, a mirror synthesis system having a configuration in which dichroic mirrors are arranged in an X shape can be used. However, in a projection display device having a mirror composition system in which the color composition optical system is configured by a dichroic mirror, the dichroic mirror is a non-rotationally symmetric optical element with respect to the central axis of the projection lens. For this reason, astigmatism occurs in the image on the screen, and the MTF (Modulation Transfer Function) characteristics of the projection optical system deteriorate. As a result, the image quality is blurred and the sharpness is lowered. The deterioration of the MTF characteristics is not so much a problem when the size of the liquid crystal panel is large with respect to the number of pixels, that is, when the pixel pitch is large. However, if the pixel pitch is small as in the case of a liquid crystal panel using a polysilicon TFT as a switching element as in this example, it cannot be ignored. In this example, since a dichroic prism is used as the color synthesis optical system 6, it is possible to avoid such an adverse effect.
[0028]
This point will be described with reference to FIG. This figure shows the MTF characteristics of the projection display apparatus having the prism composition system of this example and the projection display apparatus when the color composition system is a mirror composition system. In this figure, the horizontal axis represents the spatial frequency (1ine / mm) indicating the fineness of the pixels of the liquid crystal panel, and the vertical axis represents MTF (%). A solid line is a characteristic in a projection optical system including a prism synthesis system. The thick solid line is the characteristic at the center of the screen, and the thin solid line is the characteristic at the periphery of the screen. Similarly, a broken line is a characteristic in the projection optical system provided with the mirror composition system. A thick broken line is a characteristic at the center of the screen, and a thin broken line is a characteristic at the periphery.
[0029]
The MTF characteristic of the projection lens alone is deteriorated due to astigmatism because the mirror is inserted at an angle of 45 degrees in the mirror synthesis system. As in this example, in a liquid crystal panel using a polysilicon TFT as a switching element and having a pixel pitch of 50 μm or less, an MTF characteristic of 30% or more is required at a spatial frequency of 20 (1 in / mm). However, when the mirror synthesis system is used, it can be seen that sufficient MTF characteristics cannot be obtained at the periphery of the screen. On the other hand, when the prism synthesis system is used as in this example, the aberration generated by the prism can be removed by the design of the projection lens, so that it is understood that there is no deterioration of the MTF characteristics.
[0030]
In the apparatus of this example, light beams of respective colors are synthesized in a color synthesis system composed of a dichroic prism to obtain an optical image, and this optical image is enlarged and projected on the screen 8 by the projection lens 7. A projection lens that is close to a telecentric system is preferable.
[0031]
(Illumination optics)
As an example of the uniform illumination optical element 3 in the illumination optical system of this example, there is an integrator lens generally used in an exposure machine. FIG. 3A shows a basic configuration when used in a projection display device. As shown in this figure, the uniform illumination optical element 3 includes a first lens plate 31 and a second lens plate 32. The first lens plate 31 has a configuration in which a plurality of rectangular lenses 301 are arranged in a matrix. Similarly, the second lens plate 32 has a configuration in which rectangular lenses 302 are arranged in a matrix. The shape of each rectangular lens 301 of the first lens plate 31 is similar to the shape of the liquid crystal panel to be illuminated. The image of each rectangular lens 301 is superimposed and formed on the liquid crystal panel by the corresponding rectangular lens of each rectangular lens 302 constituting the second lens plate 32. Therefore, the liquid crystal panel is illuminated with uniform illuminance and almost no color unevenness.
[0032]
In this example, rectangular lenses are arranged in each of the lens plates 31 and 32 so as to form a 4 × 3 matrix. The maximum number of divisions in the vertical or horizontal direction is preferably in the range of about 3 to 7. The first lens plate 31 and the second lens plate 32 are not necessarily separated. By reducing the size of each rectangular lens and increasing the number of divided incident light beams, the lens plates 31 and 32 can be brought closer to each other. Furthermore, it is possible to integrate a single lens.
[0033]
Here, with reference to FIG. 5, the relationship between the number of divisions by the rectangular lenses of the lens plates 31 and 32 constituting the uniform illumination optical element 3 and the color unevenness will be described. In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents the number of divisions of the first and second lens plates (integrator lenses), the vertical axis represents color unevenness, and the central portion (one place) and the peripheral portion (4 on the screen 8). The difference in color between the two points is displayed as a difference on the U′V ′ chromaticity coordinates. The smaller the value indicating the color unevenness, the smaller the color unevenness. In the figure, the value indicated by the broken line is the maximum color unevenness determined to be acceptable as color unevenness.
[0034]
As can be seen from this graph, the number of divisions is preferably 3 or more. However, from the viewpoint of manufacturing, increasing the number of divisions leads to high costs. Therefore, a practical number of divisions ranges from about 3 to about 7.
[0035]
Next, FIG. 3B shows another configuration example of the first lens plate 31 and the second lens plate 32 that constitute the uniform illumination optical confectionery 3. Also in the example shown in this figure, each lens plate is composed of rectangular lens plates having the same dimensions. However, in the arrangement state of the rectangular lenses, the number of divisions in the vertical direction is 7, and in the horizontal direction, the upper and lower rows are divided into three, the central three rows are divided into five, and the rows between these are four. It is divided.
[0036]
As shown in FIG. 4, the uniform illumination optical element 3 includes a first lens plate 31 composed of a plurality of cylindrical lenses 301 ′ and a second lens plate 32 composed of a plurality of cylindrical lenses 302 ′. There is also a method of using and configuring. The illuminance in this case is made uniform only in one direction, and the central illuminance of the illumination target is higher than in the cases of FIGS. In this case, since the lens configuration is relatively simple, it is easy to reduce the thickness.
[0037]
Next, with reference to FIG. 6 (A), the effect | action in illuminating liquid crystal panel 5R, 5G, 5B using the uniform illumination optical element 3 of said structure is demonstrated. As the light source lamp 21 constituting the light source 2, as described above, a light emitting source close to a point such as a halogen lamp, a metal halide lamp, or a xenon lamp is used. Also, the luminous flux from the lamp is reflected by the reflecting mirror 22. An elliptical surface can be used as the reflecting surface shape of the reflecting mirror 22, and in this case, the first focus is made to coincide with the light emitting part of the light source lamp 21, and the second focus is set to the liquid crystal panel 5 (5R, 5G, 5B). Match the center position of. As a result, the reflected light beam of the reflecting mirror 22 goes toward the center of the liquid crystal panel 5. In this case, the second lens plate 302 is centered on the line extending from the center of each rectangular lens 301 of the first lens plate 31 toward the center of the liquid crystal panel 5. The size of the lens plate 32, that is, the size of each rectangular lens 302 constituting the lens plate is set smaller than that of the first lens plate.
[0038]
Each rectangular lens 301 of the first lens plate 31 concentrates the light flux at the center of each rectangular lens 302 of the corresponding second lens plate 32. Each rectangular lens 302 of the second lens plate 32 superimposes the image of the lens of the rectangular lens 301 on the side of the corresponding first lens plate on the display area 5A of the liquid crystal panel 5 (area shown by diagonal lines in the figure). Let me image. Since the image of the light emitting part of the light source lamp 21 is thus formed at the center of each rectangular lens 302 of the second lens plate 32, the entire second lens plate 32 functions as a secondary light source. Accordingly, for example, the principal ray 303 of the light beam incident on the end of the display area 5A of the liquid crystal panel 5 coincides with a line segment connecting the center of the second lens plate 32 and the end of the display area 5A. That is, since the illumination light flux to the liquid crystal panel 5 is divergent light from the second lens plate 32, it is necessary to collimate the divergent light in order to make the parallel light incident on the liquid crystal panel 5. For this purpose, condensing lenses 101, 102, and 103 are arranged in this example. What is the focal length of this condenser lens? It is set equal to the distance b between the second lens plate 32 and the condenser lens. In this example, a plano-convex lens disposed with a convex surface facing the liquid crystal panel 5 is used as the condenser lens. You may arrange | position in the state which orient | assigned the convex surface to the 2nd lens plate side. Instead of a plano-convex lens, a biconvex lens or a Fresnel lens can also be used. Thus, by arranging the condensing lenses 101, 102, 103, the principal ray of the light beam emitted through the liquid crystal panel 5 becomes parallel to the central axis 1a of the entire illumination system.
[0039]
Next, FIG. 6B shows a modification of the illumination optical system. In this example, a paraboloid is used as the reflecting surface of the reflecting mirror 22 of the light source 2. In this case, since the focal point of the paraboloid coincides with the light emitting portion of the light source lamp 21, the light beam reflected by the reflecting mirror 22 becomes a light beam substantially parallel to the central axis 1a of the illumination system. Therefore, the uniform illumination optical element 3 used in this case is composed of the first lens plate 31 ′ and the second lens plate 32 ′ having the same dimensions, and the focal length of the rectangular lens constituting each lens plate is also the same. equal. Each rectangular lens 302 ′ of the second lens plate 32 ′ forms an image of the corresponding rectangular lens of the first lens plate 31 ′ at infinity. Therefore, in this case, the lens 306 is added to form an image that should be infinite on the display area 5A of the liquid crystal panel 5. The focal length of the lens 306 is set to be equal to the distance between this lens and the liquid crystal panel 5. The lens 306 can also be integrated with the second lens plate 32.
[0040]
In addition, when the division | segmentation number by the rectangular lens of each lens plate 31 and 32 is comparatively small, the distance between each lens plate can be made comparatively large, and as FIG. 15 shows, between each lens plate, reflection is carried out. A mirror 33 can be interposed. In this case, there is an advantage that the volume occupied by the uniform illumination optical element is about ½ of the previous example. Further, as shown in this figure, the arrangement of all the optical systems can be made close to a square, contributing to the miniaturization of the entire apparatus.
[0041]
(Light guide system)
As described above, the light guide system 9 of this example includes the two reflecting mirrors 91 and 92 and the intermediate lens 93 disposed therebetween. Another configuration example of the light guide system applicable to this example will be described below.
[0042]
First, the light guide system 9A shown in FIG. 7 has a configuration in which the intermediate lens 93 is omitted from the light guide system 9 of this example.
[0043]
Next, in addition to the configuration of the light guide system 9 of this example, the light guide system 9B shown in FIG. 8A has an incident lens 94 added to the incident part side and an output lens 95 on the output part side. It is the structure which added.
[0044]
With reference to FIG. 8B, the operation of the light guide system 9B having this configuration will be described. In the drawing, for ease of explanation, the pair of reflecting mirrors 91 and 92 is shown as a straight line system. As shown in the figure, the intermediate lens 93 is located at the exact center of the entire optical path of the light guide system 9B. If the total optical path length is 2a, the focal length of the intermediate lens 93 is set to be approximately equal to a / 2. is there. Accordingly, the intermediate lens 93 forms an image of the object 96 on the incident side of the light guide system 9B as a reverse image 97 on the exit side of the light guide system. In other words, the illuminance distribution on the incident side is transmitted by rotating 180 degrees on the exit side. However, since the illumination optical system including the uniform illumination optical element 3 is used in this example, the illuminance distribution is almost symmetrical with respect to the rotation of 180 degrees. Therefore, even if the illuminance distribution is rotated or reversed in this way, display color unevenness does not occur.
[0045]
On the other hand, the incident lens 94 has the focal length equal to the distance a to the intermediate lens 93 and directs the principal ray 9 a of the light beam G that has passed through the condenser lens 103 and becomes parallel to the center of the intermediate lens 93. Therefore, an image of the second lens plate 32 on the emission side of the uniform illumination optical element 3 is formed at the center of the intermediate lens 93. The focal length of the exit lens 95 is also set to be equal to a, and the principal ray of the light beam diverging from the center of the intermediate lens 93 is emitted in parallel. As shown in the drawing, the incident lens 94 is a plano-convex lens, and the convex surface side thereof is arranged toward the incident side, thereby reducing the spherical aberration of the lens. The exit lens 95 is also a plano-convex lens, and is arranged so that the convex surface side faces the exit side.
[0046]
Note that the focal lengths of the entrance lens and the exit lens may be set within a range of about 0.5 to about 0.7 times the total optical path length (2a) of the light guide system 9B. The focal length of the intermediate lens is preferably slightly longer than ¼ of the total optical path length (2a) from the viewpoint of reducing spherical aberration, and is within a range of about 0.25 to about 0.4 times. Should be set.
[0047]
FIG. 9A shows a modification of the light guide system 9B. In the light guide system 9 </ b> C shown in this figure, the incident lens 94 in the light guide system 9 </ b> B is a lens 97 that is integrated with the condenser lens 103 disposed in front of the optical path direction. The focal length of the lens 97 is set to a value obtained by adding the refractive powers of the incident lens 94 and the condenser lens 103. That is, as shown in FIG. 9B, it is set to ab / (a + b). This lens 97 is preferably a biconvex lens in order to reduce spherical aberration. In FIG. 9B, the intermediate lens 93 is shown as being composed of two plano-convex lenses 931 and 932. As shown in the figure, in this case, the focal lengths of the plano-convex lenses 931 and 932 are set to a. Further, by arranging the convex surfaces of the respective lenses so as to face each other, the spherical aberration can be extremely reduced as compared with the case of one biconvex lens. As a result, it is possible to transmit the illuminance distribution on the incident side of the light guide system to the emission side very accurately.
[0048]
Next, FIG. 10 shows a modification of the light guide system 9C. In the light guide system 9D shown in the figure, the lens 97 integrated in the light guide system 9C is an aspherical lens 98. By using the aspherical lens 98 in this way, spherical aberration can be further reduced as compared with the case of using a biconvex lens. Therefore, it is possible to transmit the illuminance distribution on the incident side of the light guide system to the emission side very accurately.
[0049]
(Effect of reference example)
As described above, in the projection display apparatus 1 of the present example, an illumination optical system including the uniform illumination optical element 3 is used, and the color synthesis optical system includes a dichroic prism that is an axially symmetric optical element. I use it. Therefore, it is possible to realize a projection display device with little color unevenness and illuminance unevenness and high illumination efficiency. In addition, since a color composition system comprising a dichroic prism is used, the focal length of the projection lens can be shortened, and a large screen display at a short distance is possible. Therefore, if the configuration of this example is applied to a rear projector, the depth can be shortened, so that the apparatus can be made compact.
[0050]
In addition, since the focal lengths of the intermediate lens, incident lens, and output lens, which are optical elements that make up the light guide system, are set to appropriate values, the occurrence of color unevenness in the color light flux that passes through this lens and the loss of light quantity This can also reduce the occurrence of uneven color, uneven illuminance, and the like in the projected image, and it is possible to form a bright image.
[0051]
Furthermore, when the configuration in which the incident lens and the condenser lens in the light guide system are integrated is adopted, the number of components can be reduced, and accordingly, the optical system can be made compact and inexpensive. Further, when the integrated lens is an aspheric lens, the optical system can be made compact and the spherical aberration can be reduced.
[0052]
On the other hand, in this example, the number of divisions in the uniform illumination optical element is in the range of 3 to 7, and the pixel pitch of the liquid crystal panel is set to 50 μm or less. Therefore, it is possible to realize a projection display device that can suppress the occurrence and thus can form a projected image with high image quality.
[0053]
2. First embodiment
FIG. 11 shows a projection display apparatus according to the first embodiment of the present invention. The projection display device 100 of this example is the same as the projection display device 1 of the reference example described above except for the configuration of the light guide system. Accordingly, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0054]
The light guide system 9E in the projection display apparatus 100 of the present example includes an incident side triangular prism 901, an output side triangular prism 902, and a quadrangular prism 903 disposed therebetween.
[0055]
The function of the light guide system 9E of this example will be described with reference to FIG. The light beam collimated by the condenser lens 103 is incident on the incident surface 904 of the triangular prism 901 perpendicularly, is reflected by the total reflection surface 905, and is emitted from the emission surface 906. Total reflection surface 905 may simply be an optical flat surface made of glass or plastic. However, when the incident light beam includes a light beam having such an angle that it is not totally reflected, it is preferable to coat a metal film such as aluminum or silver. Alternatively, a dielectric multilayer reflective film may be coated. As shown in the figure, the incident surface 904 and the exit surface 906 have a light guiding function by total reflection, and therefore need to be an interface between air and a glass material and cannot be bonded to an adjacent optical element. Therefore, the triangular prism 901 requires that all five surfaces be optically flat surfaces, and in some cases, it is necessary to apply a dereflection coating to the incident surface 904 and the output surface 906. In particular, an antireflection coating is preferably applied to the interface with the adjacent quadrangular prism 903.
[0056]
In the quadrangular prism 903, all of the six surfaces are optically flat surfaces, and the four surfaces 907 parallel to the principal axis of the light beam passing therethrough guide the light beam by total reflection. The triangular prism 902 on the output side has the same configuration as the triangular prism 901 on the incident side. The emitted light beam is incident on the display unit 5A of the liquid crystal panel 5G.
[0057]
In order to increase the transmissivity of the luminous flux, the shape of the incident surface 904 of the triangular prism 901 and the shape of the output surface of the triangular prism 902 are made substantially the same as the rectangular shape of the display unit 5A of the liquid crystal panel 5G. Here, the uniform illumination optical element 3 of the illumination optical system includes first and second lens plates 31 and 32 in which rectangular lenses are arranged in a matrix as shown in FIG. Accordingly, the incident surface 904 of the incident side triangular prism 901 is illuminated substantially uniformly according to the rectangular shape. The three prisms are transmitted to the display unit 5A of the liquid crystal panel 5G while maintaining the light quantity, parallelism, and uniform brightness distribution of the incident light flux. Although the triangular prism 902 on the emission side and the liquid crystal panel 5G need to be arranged close to each other, if there is a distance that cannot be ignored, a prism or lens for guiding light may be additionally arranged.
[0058]
With the projection display device of this example configured as described above, it is possible to obtain the same effect as that of the reference example described above. In addition, instead of the light guide quadrangular prism 903 in this example, for example, a light guide member formed into a cylindrical shape by combining four reflecting mirrors may be used.
[0059]
Note that the quadrangular prism 903 in FIG. 11B may be a cylindrical light guide system including four reflecting mirrors 903 ′ as shown in FIG. Although the reflectivity of the light guide surface is slightly lower, the function is the same. In addition, as shown in FIG. 12B, the light guide system may be composed of two upper and lower reflecting plates 911 and 912 and two reflecting mirrors 913 and 914 for bending the optical path. In this case, the incident light flux cannot be transmitted without loss, but the loss amount can be reduced by reducing the focal length of the lens 103 somewhat. In this case, since the illuminance distribution cannot be preserved, the method is suitable for a uniform illumination optical element using a cylindrical lens as shown in FIG.
[0060]
3. Second embodiment
FIG. 16 shows a projection display apparatus according to the second embodiment of the present invention. The projection display apparatus 500 of this example is the same as the reference example described above except for the configuration of the light guide system. Accordingly, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0061]
The light guide system 9 </ b> F in the projection display apparatus 500 of this example includes an incident-side field lens 921, an exit-side field lens 922, and a concave mirror 923. The condensing lens 103 in the vicinity of the incident portion of the light guide system 9F and the field lens 921 can be integrated and replaced with a single lens.
[0062]
A light guide system 9G having this configuration is shown in FIG. The integrated lens 924 is composed of a decentered biconvex lens as shown in the figure.
[0063]
A specific configuration of the light guide system 9F is shown in FIG. When the distance from the concave mirror 923 at the center of the optical path to the field lens 921 or the field lens 922 is a, the focal length of the concave mirror 923 is substantially equal to a / 2. The curved surface shape of the concave mirror 923 is a spherical surface or an elliptical surface. Accordingly, the concave mirror 923 forms an image of the object 802 at the incident portion as a reflected image 803 on the emission portion, and actually the illuminance distribution at the incidence portion is inverted and output at the emission portion. The focal lengths of the field lenses 921 and 922 are equal to a, and the optical axes 801 of the respective lenses coincide with each other at the center. The incident-side field lens 921 collects the parallel light flux from the condenser lens 103 at the center of the concave mirror 923. The exit-side field lens 922 refracts the reflected light beam from the concave mirror 923 so as to be a light beam perpendicular to the liquid crystal panel 5G.
[0064]
Note that the light guide system 9F can also be configured as shown in FIG. In the light guide system 9H shown in this figure, the two field lenses 921 and 922 in the light guide system 9E are configured by a single lens 806, the concave mirror 923 is replaced with a plane mirror 804, and the lenses 806 to a / It is arranged at a distance of 2. Further, a plane mirror 805 is disposed perpendicular to the optical axis 807 of the lens 806. The parallel light flux incident on the light guide system 9H passes through the end of the lens 806, is reflected by the plane mirror 804, and gathers at the center of the plane mirror 805. The light beam reflected from the plane mirror 805 is reflected by the plane mirror 804, passes through the end of the lens 806, and enters the display unit 5A of the liquid crystal panel 5G perpendicularly. The image of the object 802 at the entrance is formed as the inverted image 803 of the exit at the center of the lens 806, and the light beam passes through the center of the lens 806 twice. It becomes the same as having passed. The configuration of this example has an advantage that the size is smaller than that of the light guide system 9F.
[0065]
4). Third embodiment
FIG. 13 shows a projection display apparatus according to the third embodiment of the present invention. The projection display apparatus 200 of the present example is devised for compactly storing the optical system in the case 201. The optical system in this example includes an illumination optical system 2B, a color separation optical system 4, light bubbles 5R, 5G, and 5B, a color synthesis optical system 6, a projection lens 7, and a light guide system 9D. . Among these, the color separation optical system 4, the light valves 5R, 5G, and 5B, the color synthesis optical system 6, and the projection lens 7 are the same as those in the apparatus 100 of the reference example. The light guide system 9D is the same as that shown in FIG. Therefore, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part corresponding in these parts, and description of those each site | part is abbreviate | omitted.
[0066]
In the apparatus 200 of this example, in order to make the central axis 1a of the emitted light from the illumination optical system 2B parallel to the optical axis 7a of the projection lens 7, the illumination optical system 2B includes the light source lamp 21. The direction of the emitted light is bent at a right angle. The illumination optical system 2B has a configuration including a polarization conversion system 11.
[0067]
That is, the illumination optical system 2B of this example is composed of the light source 2 composed of the lamp 21 and the reflecting mirror 22, the polarization conversion element 11 disposed on the exit side, and the uniform illumination optical element 3A disposed on the exit side. ing.
[0068]
As shown in FIG. 14, the polarization conversion element 11 of this example includes a polarization beam splitter 111, a reflecting mirror 112, and a λ / 2 phase difference plate 113. The random polarized light 114 emitted from the light source 2 is separated into two linearly polarized light of P-polarized light 115 and S-polarized light 116 by a polarization beam splitter 111 which is a polarization separation element. Since the polarization separation function of the polarization beam splitter 111 has an incident angle dependency, a light source provided with a short arc length lamp capable of emitting light with excellent parallelism is suitable. The separated P-polarized light 115 passes through a λ / 2 phase difference plate 113 which is a polarization plane rotation element, and thereby the polarization plane is rotated 90 degrees to become S-polarized light. On the other hand, the S-polarized light 116 is only bent in its optical path by the prism type reflecting mirror 112, and is emitted as it is as S-polarized light. In this example, the reflecting mirror 112 is formed, for example, as an evaporated film of aluminium, and has a higher reflectance of S-polarized light than that of P-polarized light. Therefore, the optical path of S-polarized light is bent by the reflecting mirror 112. As the reflecting mirror 112, in addition to the prism type, a general flat type reflecting mirror may be used. By passing through the polarization conversion element 11 having this configuration, the random polarized light 114 from the light source is emitted as S-polarized light. In this example, P-polarized light is converted to S-polarized light. Conversely, S-polarized light may be converted to P-polarized light, and P-polarized light may be emitted from the polarization conversion element 11.
[0069]
Next, the uniform illumination element 3A disposed on the exit side of the polarization conversion element 11 includes a first lens plate 31 disposed on a plane perpendicular to the main axis of the emitted S-polarized light 116, and orthogonal thereto. The second lens plate 32 is disposed in a state where the optical path is formed, and the reflecting mirror 33 is disposed between the lens plates 31 and 32 and bends the optical path at a right angle. The configurations of the first lens plate and the second lens plate are the same as in the reference example. Thus, the light beam incident on the uniform illumination element 3A is bent at a right angle and emitted from here. The emitted white S-polarized light beam is separated into a primary color light beam by the color separation optical system 4. The separated light fluxes of the respective colors are combined in a color combining optical system 6 composed of a dichroic prism, and enlarged and projected onto a screen 8 via a projection lens 7.
[0070]
Thus, in the apparatus 200 of this example, the optical path is formed so that the direction of the projection light is parallel and opposite to the emission direction of the illumination optical system 2B, and the case on the back side of the light source 2 is formed. In 201, a cooling fan 12 for suppressing heat generation by the light source lamp 21 is arranged.
[0071]
Therefore, in the apparatus 200 of this example, during use, the warm air used for cooling is discharged in the same direction as the projection light. For this reason, when the projection display device is a front projection type and an image is displayed on a reflection screen for observation, the observer is usually behind the device. Therefore, there is an advantage that the viewer's viewing is not hindered by the noise of the cooling fan or the warm air blown from the noise. Also, when installing in a place where there is relatively little room for installation, such as an audio rack, since the exhaust is from the front, there is no problem that the exhaust is confined to the surroundings.
[0072]
Moreover, in the apparatus 200 of this example, the illumination optical system 2B includes the polarization conversion element 11. Therefore, the random polarized light emitted from the light source is converted into the specific linearly polarized light, and the two converted light beams are effectively superimposed and output with almost no divergence loss. Therefore, a bright illumination optical system that emits only polarized light with high efficiency can be realized. Furthermore, in this example, since the emitted polarized light beam is allowed to pass through the uniform illumination optical element 3A, color unevenness and illuminance unevenness generated in the light source are suppressed, and highly uniform illumination light can be obtained. it can.
[0073]
5. Effects of the above reference examples and examples
As described above, the projection display apparatuses according to the reference examples and the examples include the uniform illumination optical element in the illumination optical system, the dichroic prism in the color synthesis system, and the most in the color separation system. A light guide system is arranged in the optical path of the color light beam having a long optical path length, and the divergent light beam of each color separated through the color separation system is irradiated to the light valve as a parallel light beam through the condenser lens. The configuration is adopted. Therefore, the uniform illumination optical element suppresses the color unevenness and illuminance unevenness of the light from the light source, and the color composition system is a prism composition system that generates less color unevenness and illuminance unevenness than the mirror composition system. There is little occurrence of uneven color. In addition, the light beam with a long optical path length is transmitted through the light guide system with almost no light loss, and the collimating lens irradiates the light flux with a parallel light beam. Is improved. Therefore, according to the above reference examples and examples, it is possible to realize a projection display device with less color unevenness and illuminance unevenness and higher illumination efficiency than in the past.
[0074]
Further, in the above reference examples and embodiments, the focal length of a lens that is a component of the light guide system is set to an appropriate value, or a prism is used as the light guide system. According to this configuration, color unevenness and light amount loss in the light guide system can be suppressed, so that a projection image with little color unevenness and high illumination efficiency can be formed.
[0075]
Further, in the above reference examples and embodiments, a dichroic prism that is a rotationally symmetric element with respect to the central axis of the projection optical system is used as a color composition system, and a liquid crystal with a small pixel pitch of about 50 μm or less as a light valve. The panel is used. Therefore, according to the reference example and the embodiment, it is possible to form a projection image with a good resolution, and it is possible to reduce the size of the entire apparatus using a liquid crystal panel such as a polysilicon TFT that can be easily reduced in size.
[0076]
In the above reference example and example, the number of divisions of the lens plate constituting the uniform illumination optical element is set in the range of 3 to 7, so that a projection image with suppressed color unevenness can be formed. Can do.
[0077]
Furthermore, in the above reference examples and examples, since the illumination optical system has a configuration including a polarization conversion element, the divergence loss of the light flux emitted from the light source lamp can be suppressed, and a bright projected image can be formed. it can.
[0078]
On the other hand, in the projection display device of the present invention, the optical path is configured so that the projection light can be emitted in the opposite direction and parallel to the traveling direction of the emission light from the illumination optical system, and the projection light is emitted. A configuration is adopted in which cooling means for the light source lamp is arranged on the device case side. According to this configuration, when the projector is used as a front projector, the cooling means is located on the side opposite to the side where the observer of the projected image is located, and the exhaust from there is blown to the side opposite to the side of the observer. It will be. Therefore, there is an advantage that the noise of the cooling means and the exhaust from the cooling means do not disturb the observer.
[0079]
On the other hand, according to the reference example and the embodiment, in addition to the effects described above, the back focus of the projection lens of the optical system is short, so that it is easy to project a large screen over a short distance. Therefore, it is possible to realize a projection display device suitable for presentation use and home home theater use. In addition, since the back focus of the projection lens is short, a bright projection lens having a small F number and a small number of lenses can be realized, and the cost of the apparatus can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of an optical system of a projection display device according to a reference example of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a pixel density and a transfer characteristic (MTF) of a liquid crystal panel used as a light valve in a projection display device.
FIGS. 3A and 3B are schematic perspective views showing the configurations of first and second lens plates constituting the uniform illumination optical element of FIG. 1, respectively.
4 is a schematic perspective view showing a configuration of first and second lens plates constituting the uniform illumination optical element of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the number of divisions of the lens plate of the uniform illumination optical element and the color unevenness.
6A and 6B are explanatory diagrams for explaining the function of the uniform illumination optical element. FIG.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a modification of the light guide system in the reference example of the present invention.
FIGS. 8A and 8B are a schematic configuration diagram showing another modification of the light guide system in the reference example of the present invention, and an explanatory diagram showing its function. FIGS.
FIGS. 9A and 9B are a schematic configuration diagram showing still another modified example of the light guide system in the reference example of the present invention, and an explanatory diagram showing its function. FIGS.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a modification of the light guide system shown in FIG.
FIGS. 11A and 11B are a schematic configuration diagram illustrating an optical system of a projection display apparatus according to an embodiment of the present invention, and an explanatory diagram illustrating a light guide system thereof. FIGS.
FIGS. 12A and 12B are explanatory views showing a modification of FIG. 11B.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing an optical system and a cooling fan of a projection display apparatus according to a third embodiment of the present invention.
14 is an explanatory diagram showing a configuration of a polarization conversion element incorporated in the illumination optical system of FIG.
15 is a schematic configuration diagram showing a modification of the uniform illumination optical element in FIG. 1. FIG.
FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing a projection display apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram showing a modification of the projection display apparatus according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18A is an explanatory diagram showing the light guide system of FIG. (B) is explanatory drawing which shows the modification of the light guide system shown to FIG. 18 (A).

Claims (9)

光源と、ここから出射された光束を3色の光束に分離する色分離手段と、分離された各色の光束を変調する3枚の変調手段と、前記色分離手段によって分離されて前記3枚の変調手段のそれぞれに入射する各色の光束のうち、他の色光より光路長の長い光束の前記色分離手段と前記変調手段の間の光路上に配置された導光手段と、前記変調手段を介して変調された各色の変調光束を合成する色合成手段と、合成された変調光束をスクリーン上に投写する投写レンズとを有する投写型表示装置において、
前記光源と前記色分離手段の間の光路に介挿され、前記光源からの光束を均一な矩形光束に変換して前記色分離手段に向けて出射する均一照明光学手段と、
前記色分離手段における各色の光束を出射する光束出射部にそれぞれ配置され、前記均一照明光学手段からの発散光束をほぼ平行な光束に変換する3枚の集光レンズとを有し、
前記3枚の集光レンズのうち、前記色分離手段の前記他の色光より光路長の長い光束の光束出射部に配置された集光レンズは、前記ほぼ平行な光束を前記導光手段に向けて出射し、
前記色合成手段はダイクロイックプリズムであり、
前記導光手段は、入射側に配置されて光路を90度折り曲げる入射側三角柱プリズムと、出射側に配置されて光路を90度折り曲げる出射側三角柱プリズムと、これらの三角柱プリズムの間に配置された導光部材とを備えている、
ことを特徴とする投写型表示装置。
A light source, color separation means for separating the light flux emitted therefrom into three color light fluxes, three modulation means for modulating the separated light fluxes of each color, and the three color separation means separated by the color separation means. A light guide unit disposed on an optical path between the color separation unit and the modulation unit of a light beam having a longer optical path length than other color light among the light beams of the respective colors incident on the modulation unit, and the modulation unit. In a projection display apparatus having color combining means for combining modulated light beams of respective colors modulated in the above manner and a projection lens for projecting the combined modulated light beams on a screen,
Uniform illumination optical means that is inserted in an optical path between the light source and the color separation means, converts a light beam from the light source into a uniform rectangular light beam, and emits the light toward the color separation means;
Three condensing lenses that are respectively arranged in light beam emitting portions for emitting light beams of the respective colors in the color separation means and convert the divergent light beams from the uniform illumination optical means into substantially parallel light beams,
Among the three condensing lenses, the condensing lens arranged in the light beam emitting portion of the light beam having a longer optical path length than the other color light of the color separating means directs the substantially parallel light beam to the light guiding means. Exit
The color composition means is a dichroic prism,
The light guide means is disposed between the triangular prisms, the incident side triangular prism that is disposed on the incident side and bends the optical path by 90 degrees, the output triangular prism that is disposed on the output side and bends the optical path by 90 degrees, and A light guide member,
A projection display device characterized by that.
請求項1において、前記入射側三角柱プリズムの入射面及び前記出射側三角柱プリズムの出射面の形状は、前記変調手段の表示部の形状とほぼ同一であることを特徴とする投写型表示装置。2. The projection display device according to claim 1, wherein the shape of the entrance surface of the entrance-side triangular prism and the exit surface of the exit-side triangular prism are substantially the same as the shape of the display section of the modulation means. 請求項1または2において、前記導光部材は、四角柱プリズムであることを特徴とする投写型表示装置。3. The projection display device according to claim 1, wherein the light guide member is a quadrangular prism. 請求項3において、前記入射側三角柱プリズムと前記四角柱プリズムと前記出射側三角柱プリズムとは、前記入射側三角柱プリズムの出射面と前記四角柱プリズムの入射面との間、及び前記四角柱プリズムの出射面と前記出射側三角柱プリズムの入射面との間に間隙を有して配置されていることを特徴とする投写型表示装置4. The incident side triangular prism, the quadrangular prism, and the output side triangular prism are between the exit surface of the incident side triangular prism and the entrance surface of the square prism, and of the quadrangular prism. A projection display device , wherein a gap is provided between an exit surface and an entrance surface of the exit side triangular prism. 請求項4において、前記三角柱プリズムと前記四角柱プリズムの界面には無反射コーティングが施されていることを特徴とする投写型表示装置。5. The projection display device according to claim 4, wherein an anti-reflection coating is applied to an interface between the triangular prism and the quadrangular prism. 請求項1ないし請求項5のうちの何れかにおいて、前記三角柱プリズムの全反射面には金属膜のコーティングが施されていることを特徴とする投写型表示装置。6. The projection display device according to claim 1, wherein a coating of a metal film is applied to a total reflection surface of the triangular prism. 請求項1ないし請求項5のうちの何れかにおいて、前記三角柱プリズムの全反射面には誘電体多層膜のコーティングが施されていることを特徴とする投写型表示装置。6. The projection display device according to claim 1, wherein the total reflection surface of the triangular prism is coated with a dielectric multilayer film. 請求項1ないし請求項7のうちの何れかにおいて、前記均一照明光学手段は、複数のレンズを、前記光源の出力光の主軸に垂直な面内に配列した構成のレンズ板を少なくとも1枚備えた構成であることを特徴とする投写型表示装置。8. The uniform illumination optical unit according to claim 1, wherein the uniform illumination optical means includes at least one lens plate having a plurality of lenses arranged in a plane perpendicular to a main axis of output light of the light source. Projection type display device characterized by having a configuration. 請求項1ないし請求項8のうちの何れかにおいて、更に、前記均一照明光学手段は偏光変換手段を有し、前記偏光変換手段は、前記光源からのランダム偏光をP波とS波の2つの直線偏光に分離する偏光分離要素と、分離された2つの偏光の偏光面を一致させる偏光面回転要素とから構成されていることを特徴とする投写型表示装置。9. The uniform illumination optical unit according to claim 1, further comprising a polarization conversion unit, wherein the polarization conversion unit converts random polarization from the light source into two waves, a P wave and an S wave. A projection display device comprising: a polarization separation element that separates linearly polarized light; and a polarization plane rotation element that matches the polarization planes of the two separated polarizations.
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