JP3646525B2 - Illumination optical system and projection display device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、照明光を直線偏光光とする照明光学系、及びこれを用いた投写型表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータやテレビなどの表示画面を表示する装置のひとつとして、投写型表示装置がある。投写型表示装置は、光源から射出された光を、ライトバルブと呼ばれる電気光学効果デバイスによって変調し、変調された光をスクリーン上に投影して画像を表示するものである。
【0003】
このような投写型表示装置のライトバルブとして主に液晶装置が用いられている。液晶装置において、照明光が入射する面には、通常、偏光板が設けられており、所定の直線偏光光のみが照明光として利用され、他の直線偏光光は照明光として利用されない。従って、非偏光な光を有する照明光が液晶装置を照明するような投写型表示装置においては、照明光の利用効率が低下してしまい、照明光の明るさに比べてスクリーン上に投写された画像が暗くなってしまう。この問題を解決するために、従来から、非偏光な照明光を、液晶装置において利用可能な直線偏光光に変換する偏光変換光学系が照明光学系に利用されている。
【0004】
図6は、従来の照明光学系の要部を示す概略平面図である。この照明光学系1000は、レンズアレイ1020と、偏光分離部1030と、複数のλ/2位相差板1052とを備えている。偏光分離部1030は、偏光分離板1035と直角プリズムとを備えている。偏光分離板1035は、ガラス基板1036上の一方の面に設けられた偏光分離膜1038と、他方の面に設けられた反射膜1039とで構成されている。偏光分離板1035は、偏光分離膜1038が直角プリズム1031の斜面1034に接するように直角プリズム1031に貼り合わされている。
【0005】
図示しない光源から射出された非偏光な光束(s偏光成分およびp偏光成分の両方を有する光)は、レンズアレイ1020を構成する複数の小レンズ1022によって複数の部分光束に分割される。1つの小レンズ1022から射出された部分光束は、光入射面1032から直角プリズム1031に入射して偏光分離膜1038に入射する。このとき、偏光分離膜1038の偏光分離作用によって、部分光束を構成するs偏光成分のほとんどが、入射方向に対してほぼ垂直な方向に反射して直角プリズム1031の射出面1033の方向に進む。一方、p偏光成分は、偏光分離膜1038をほとんど透過して、反射膜1035で入射方向に対してほぼ垂直な方向に反射して直角プリズム1031の射出面1033の方向に進む。これらのs偏光の部分光束とp偏光の部分光束とは、射出面1033の空間的に互いに分離された位置から射出される。なお、レンズアレイ1020の他の小レンズ1022から射出された部分光束も同様である。すなわち、偏光分離部1030によって、非偏光な部分光束のそれぞれは、p偏光光とs偏光光の2種類の直線偏光光に分離される。
【0006】
直角プリズム1031の射出面1033から射出されたp偏光の部分光束の各光路上には、λ/2位相差板1052が設けられており、p偏光の部分光束はs偏光の部分光束に変換される。この結果、レンズアレイ1020から射出された部分光束のそれぞれは、ほとんどs偏光光に変換される。
【0007】
以上のように、この照明光学系1000は、偏光分離部1030と複数のλ/2位相差板1052とを有する偏光変換光学系によって、光源から射出された非偏光な光束をほとんど1種類の直線偏光光(s偏光光)に変換して、利用効率の高い照明光学系を実現している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記偏光分離膜1038は、複数の誘電体を多層に積層することにより形成されるため、偏光分離板1035を形成するための製造が容易ではなく、製造コストも比較的高額となっていた。また、偏光分離膜1038の界面が空気と接するとした場合には、偏光分離特性の良い膜を設計することは困難であるため、通常、膜の設計はその界面がガラスに接する条件で行われる。従って、従来の偏光分離部1030においては、直角プリズム1031を省略することができない。この直角プリズムは、比較的大型で高額であるため、小型化、低価格化が困難である。以上のことから、従来の偏光変換光学系は、簡単に構成することができないという問題があった。
【0009】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、従来に比べて簡単な構成で偏光変換光学系を実現することにより、光の利用効率の高い照明光学系及びこれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題を解決するため、本発明の照明光学系は、
所定の照明領域を照明する照明光学系であって、
非偏光な光束を射出する光源と、
前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学系と、
前記複数の部分光束を所定の直線偏光光に変換して射出する偏光変換光学系と、
前記偏光変換光学系から射出された複数の部分光束のそれぞれが、前記所定の照明領域を照明するように重畳する重畳光学系と、を備え、
前記光束分割光学系は、前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束を集光させるレンズアレイを有しており、
前記偏光変換光学系は、
入射した光束を2種類の直線偏光光に分離するとともに、一方の直線偏光光については反射し、他方の直線偏光光については透過する反射型偏光板と、前記反射型偏光板に平行に配置され、前記反射型偏光板を透過した前記他方の直線偏光光を反射する反射板とを有し、前記レンズアレイから射出された複数の部分光束のそれぞれについて、前記反射型偏光板で反射された一方の直線偏光光と、前記反射板で反射された他方の直線偏光光とに空間的に分離する偏光分離部と、
前記偏光分離部から射出された前記複数の部分光束のそれぞれについて、前記2種類の直線偏光光のうち、一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換して、前記2種類の直線偏光光を所定の直線偏光光に揃える偏光変換部と、を備えることを特徴とする。
【0011】
上記照明光学系は、反射型偏光板によって複数の部分光束のそれぞれを2種類の直線偏光光にほぼ分離する構成としている。従って、従来に比べて偏光分離部の製造が容易である。これにより、従来に比べて簡単な構成で偏光変換光学系を実現することができ、光の利用効率の高い照明光学を提供することができる。
【0012】
上記照明光学系において、
前記反射型偏光板は、前記所定の照明領域を照明する照明光の色が所定の色光となるように光の透過率および反射率が調整されていることが好ましい。このとき、前記反射型偏光板は、入射する光のうち特定の波長領域における光の透過率および反射率が他の波長領域における光の透過率および反射率よりも高くなるように調整されているようにしてもよい。あるいは、前記反射型偏光板は、入射する光のうち特定の波長領域における光の透過率および反射率が他の波長領域の光の透過率および反射率よりも低くなるように調整されているようにしてもよい。
【0013】
上記のいずれかのようにすれば、所望の色バランスを有する照明光を実現することができる。
【0014】
本発明の投写型表示装置は、
スクリーン上に画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
与えられた画像信号に応じて画像を形成する光を射出する電気光学効果デバイスと、
前記電気光学効果デバイスに照明光を照射する照明光学系と、
前記電気光学効果デバイスから射出された光を投影して前記スクリーン上に画像を投写する投写光学系と、
を備え、
前記照明光学系は、
非偏光な光束を射出する光源と、
前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学系と、
前記複数の部分光束を所定の直線偏光光に変換して射出する偏光変換光学系と、
前記偏光変換光学系から射出された複数の部分光束のそれぞれが、前記所定の照明領域を照明するように重畳する重畳光学系と、を備え、
前記光束分割光学系は、前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束を集光させるレンズアレイを有しており、
前記偏光変換光学系は、
入射した光束を2種類の直線偏光光に分離するとともに、一方の直線偏光光については反射し、他方の直線偏光光については透過する反射型偏光板と、前記反射型偏光板に平行に配置され、前記反射型偏光板を透過した前記他方の直線偏光光を反射する反射板とを有し、前記レンズアレイから射出された複数の部分光束のそれぞれについて、前記反射型偏光板で反射された一方の直線偏光光と、前記反射板で反射された他方の直線偏光光とに空間的に分離する偏光分離部と、
前記偏光分離部から射出された前記複数の部分光束のそれぞれについて、前記2種類の直線偏光光のうち、一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換して、前記2種類の直線偏光光を所定の直線偏光光に揃える偏光変換部と、を備えることを特徴とする。
【0015】
上記投写型表示装置は上記照明光学系を用いているので、上記照明光学系と同様な作用・効果を得ることができる。これにより、簡単な構成で光の利用効率の高い投写型表示装置を提供することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、光の進行方向をz方向、光の進行方向(z方向)からみて3時の方向をx方向、12時の方向をy方向とする。
【0017】
A.照明光学系:
図1は、本発明の照明光学系の要部を示す概略平面図である。この照明光学系100は、ほぼ平行な光束を射出する光源110と、第1のレンズアレイ120と、偏光分離板130と、第2のレンズアレイ140と、複数のλ/2位相差板152と、重畳レンズ160とを備えている。照明光学系100は、照明領域180をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系でもある。
【0018】
光源110は、放射状の光線を射出する放射光源としての光源ランプ112と、光源ランプ112から射出された放射光をほぼ平行な光線束として射出する凹面鏡114とを有している。光源ランプ112としては、通常、メタルハライドランプや高圧水銀ランプなどが用いられる。凹面鏡114としては、放物面鏡を用いることが好ましいが、楕円面鏡や球面鏡も使用可能である。
【0019】
第1と第2のレンズアレイ120,140は、光束分割光学系としての機能を有している。そのうち、第1のレンズアレイ120は、光源110からの射出光を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束を集光させる機能を有している。また、第2のレンズアレイ140は、各部分光束の中心軸をシステム光軸SCに平行に揃える機能を有している。なお、光源からの射出光の平行性が優れている場合には、第2のレンズアレイ140を省略することも可能である。
【0020】
図2は、第1のレンズアレイ120の外観を示す斜視図である。第1のレンズアレイ120は略矩形状の輪郭を有する小レンズ122が直交マトリクス状にM行×N列配列された構成を有している。ここで、x方向がレンズアレイの行方向、y方向が列方向に対応している。この例では、M=6,N=4である。第1のレンズアレイ120の各小レンズ122は、光源110(図1)から射出された光束を複数の(すなわちM×N個の)部分光束に分割し、各部分光束を第2のレンズアレイ140の近傍で集光させる。各小レンズ122をz方向から見た外形形状は、照明領域180の形状とほぼ相似形をなすように設定されている。この実施例では、小レンズ122のアスペクト比(横と縦の寸法の比率)は4:3に設定されている。第2のレンズアレイ140は、第1のレンズアレイ120を構成する小レンズ122の2倍の数の小レンズがM行NN列のマトリクス状に配列された構成を有している。すなわち、第1のレンズアレイ120の小レンズ122の1つに対して、第2のレンズアレイ140のx方向に並ぶ2つの小レンズ142,143が対応しており、小レンズ142,143のx方向の幅は小レンズ122のx方向の幅の約1/2である。なお、NN=2×Nである。
【0021】
図1に示す偏光分離板130は、ガラス基板132と、ガラス基板上の一方の面に貼りつけられた反射型偏光板134と、他方の面に貼りつけられて反射板136とを備えている。この偏光分離板130は、反射型偏光板134の面が第1のレンズアレイ120および第2のレンズアレイ140の側を向き、かつ、第1のレンズアレイ120の射出面と反射型偏光板134とのなす角および第2のレンズアレイ140の入射面と反射型偏光板134とのなす角がそれぞれ約45度となるように配置されている。従って、第1のレンズアレイ120と第2のレンズアレイ140とは、互いに垂直な方向を向いて配置されている。
【0022】
偏光分離板130は、複数のλ/2位相差板152とともに以下に説明するように機能する。
【0023】
図3は、偏光分離板130と、第1のレンズアレイ120と、第2のレンズアレイ140と、複数のλ/2位相差板152とを示す概略平面図である。なお、図3では、説明を容易にするため、第1のレンズアレイ120によって分割された複数の部分光束のうち一つの部分光束の中心光軸を実線および破線で示している。第1のレンズアレイ120から射出した非偏光な部分光束(すなわちp偏光成分およびs偏光成分の両方を有する部分光束)は、偏光分離板130の反射型偏光板134に入射する。反射型偏光板134は、設定された透過軸方向の光を主に透過し、反射軸方向の光を主に反射する機能を有している。例えば、透過軸がp偏光の方向に設定され、反射軸がs偏光の方向に設定されている。このとき、反射型偏光板134に入射した部分光束に含まれる光のうち、s偏光成分のほとんどは入射方向に対してほぼ垂直な方向に反射する。一方、p偏光成分は、反射型偏光板134をそのまま透過し、反射板136で入射方向に対してほぼ垂直に反射する。反射型偏光板134で反射したs偏光成分と反射板136で反射したp偏光成分とは、互いにx軸方向に空間的に分離される。なお、第1のレンズアレイ120の他の小レンズ122によって分割された他の部分光束も同様である。すなわち、この偏光分離板130は、非偏光な部分光束のそれぞれを、p偏光光とs偏光光の2種類の直線偏光光に分離する。なお、反射型偏光板の構成については後述する。
【0024】
λ/2位相差板152は、反射板136と各小レンズ143との間のp偏光の部分光束の光路上に設けられている。図3では、各小レンズ143の入射面上に貼りつけられて示されている。λ/2位相差板152は、偏光分離板130で分離された2種類の直線偏光光のうち、一方の直線偏光光の偏光方向を他方の直線偏光光の偏光方向に変換して、2種類の直線偏光光の偏光方向を揃える偏光変換光学系としての機能を有している。図3では、p偏光の各部分光束がs偏光の部分光束に変換される。この結果、第2のレンズアレイ140に入射する複数の部分光束は、ほとんどs偏光光に変換される。なお、s偏光の部分光束の通過する位置にλ/2位相差板を設けて、ほとんどp偏光光に変換することもできる。
【0025】
なお、偏光分離板130は本発明の偏光分離部に相当し、複数のλ/2位相差板152は本発明の偏光変換部に相当する。そして、偏光分離板130と複数のλ/2位相差板152とを含む光学系が本発明の偏光変換光学系に相当する。
【0026】
ここで、上記のように一つの部分光束から分離された2つの直線偏光光の間隔Dpは、偏光分離板130の厚みtの√2倍にほぼ等しくなる。第2のレンズアレイ140は、それぞれの部分光束から分離された2つの直線偏光光が、対応する2つの小レンズ142,143にちょうど入射して有効に利用されるように配置することが好ましい。例えば、第1のレンズアレイ120の中心光軸120LC上に反射型偏光板134の中心134Cを合わせるように配置した場合には、第2のレンズアレイ140は、その中心光軸140LCの位置が反射型偏光板134の中心位置134Cに対して−X方向にDp/2だけずれるように配置することが好ましい。
【0027】
図1に戻って、重畳レンズ160は、第2のレンズアレイ140の各小レンズ142,143から射出された部分光束を重畳させて、照明領域180に集光させる重畳光学系としての機能を有する。
【0028】
光源110から射出された略平行な光束は、第1のレンズアレイ120の複数の小レンズ122によって複数の部分光束に分割されるとともに、第2のレンズアレイ140の近傍で2次光源像を結像するように集光される。一つの部分光束Lp(p+s)は非偏光な部分光束は、偏光分離板130に入射して、第2のレンズアレイ140に向かう光路上のx方向の異なる位置を通過する2つの部分光束Lpa(s),Lpb(p)に分離されて射出する。ここで、部分光束Lpa(s)はs偏光光を、Lpb(p)はp偏光光を示している。s偏光の部分光束Lpa(s)は、第2のレンズアレイ140を通過して重畳レンズ160に入射する。重畳レンズ160に入射した部分光束Lpa(s)は、重畳レンズ160の重畳作用によって、照明領域180を照明する。一方、p偏光の部分光束Lpb(p)は、λ/2位相差板152に入射してs偏光の部分光束Lpb(s)に変換されて射出し、重畳レンズ160に入射する。重畳レンズ160に入射した部分光束Lpb(s)は、重畳レンズ160の重畳作用によって、部分光束Lpa(s)と同様に、照明領域180を照明する。第1のレンズアレイ120によって分割された他の部分光束も同様に、照明領域180を照明する。したがって、照明光学系100は、ほとんどs偏光にそろえられた複数の部分光束を射出するとともに、重畳レンズ160の重畳作用によって重畳し、照明領域180を均一に照明する。
【0029】
なお、図1では、第2のレンズアレイ140と重畳レンズ160とを、分離して示しているが、これら2種類のレンズを貼り合わせるようにしてよい。また、重畳レンズ160を省略して、第2のレンズアレイ140の機能と重畳レンズ160の機能とを併せもつ光学要素を備えるようにしてもよい。このような光学要素は、複数の偏心レンズを有するレンズアレイにより実現可能である。
【0030】
また、偏光分離板130の反射型偏光板134と反射板136とは、第1のレンズアレイ120で分割された複数の部分光束に対して必ずしも45度の角度に傾いて配置されている必要はない。例えば、45度より大きい角度に傾いて配置されても、45度より小さい角度に傾いて配置されてもよい。すなわち、偏光分離板130に入射した複数の部分光束のそれぞれがp偏光成分とs偏光成分とに空間的に分離できるように配置されていればよい。
【0031】
上述したように、偏光分離板130のガラス基板上に設けられた反射型偏光板134は、従来例で説明した偏光分離膜とほぼ同様の効果を得ることができる。また、反射型偏光板134は所望の反射/透過特性を有する反射型偏光板をガラス基板132上に貼りつけることにより容易に製造できる。また、反射板136もアルミ板等の反射ミラーをガラス基板132上に貼りつけることにより容易に製造できる。また、反射板136は、反射型偏光板134を透過した光の偏光方向を反射軸方向に設定した反射型偏光板を用いることも可能であり、反射型偏光板134と同じ反射型偏光板を用いることができる。したがって、偏光分離板130を備える偏光変換光学系を簡単な構成で実現することができる。また、反射型偏光板は、単体でその反射/透過特性を決定することができるので、これを用いた偏光変換光学系において、従来例のような直角プリズムを不要とすることができ、装置の小型化も可能である。但し,直角プリズムを設けても良い。また、平行平板ガラスを設けても良い。
【0032】
図4は、反射型偏光板の構成を示す説明図である。反射型偏光板は、多層構造の高分子材料フィルムとして構成できる。この多層構造フィルムは、重合体を延伸形成したフィルムの積層からなるものであり、異なる2種類の層601(A層),602(B層)が交互にZ軸方向に積層された多層構造を有している。この反射偏光板のA層601には例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN;polyethylene napthalate )を延伸したものを用い、B層602には、ナフサレン・ジ・カルボン酸とテレフタル酸とのコポリエステル(coPEN;copolyester of napthalene dicarboxylic acid and terephthallic or isothalic acid)を用いることができる。もちろん、本発明に用いる反射型偏光板の材質はこれに限定されるものではなく、適宜その材質を選択できる。
【0033】
A層601のx軸方向の屈折率(nax)とy軸方向の屈折率(nay)は互いに異なる。一方、B層602のx軸方向の屈折率(nbx)とy軸方向の屈折率(nby)とはほぼ等しくなるように設定している。また、A層601のy軸方向の屈折率(nay)とB層602のy軸方向の屈折率(nby)とはほぼ等しくなるように設定されている。つまり、これをまとめると、(nax)≠(nay),(nbx)≒(nby)≒(nay)となっている。すなわち、y軸方向では各層の屈折率がほぼ同じであり、x軸方向では、隣接する層の屈折率が異なっている。
【0034】
このように、y軸方向では各積層間に屈折率の差が実質的に無い状態であるため、多層構造フィルムに入射した光のうちy軸方向の直線偏光(実施例においてはs偏光)の光は、この多層構造フィルムを、その偏光軸のまま透過する。
【0035】
一方、x軸方向の偏光に関しては、A層とB層の膜厚を以下のように設定することによって、x軸方向の直線偏光光が反射されるようにしている。すなわち、A層601のz軸方向の層厚をta とし、これに隣接するB層602のz軸方向の膜厚をtb とし、反射したい光の波長をλとしたとき、(1)式の関係が得られるように、1組のA層/B層対の膜厚が設定されている。
【0036】
ta ・nax+tb ・nbx≒λ/2 ・・・(1)
【0037】
こうすると、波長λの光のうちx軸方向の直線偏光(実施例においてはp偏光)の光は、隣接するA層とB層の界面において、x軸方向の偏光の光として反射されることになる。A層601とB層602の層厚ta ,tb を種々変化させた複数組のA層/B層対を積層し、全可視光の波長あるいは液晶装置により変調させたい色光の波長の広範囲にわたって上記(1)式が成立するようにすれば、x軸方向の直線偏光(p偏光)の白色光や入射する色光を反射することができる。尚、多層構造フィルムは、厚みの異なる層を順次積層させて形成するようにしても良いし、互いに厚みの等しい層が数層積層された積層体を複数積層することによって形成するようにしても良い。また、上記(1)式において、完全に等号が成立することが好ましい。
【0038】
従って、反射型偏光板は、所望の波長領域の光のみを他の波長領域の光の透過率/反射率に比べて高くなるように、あるいは、低くなるように、A層601とB層602の層厚ta ,tb を種々に変化させて形成することができる。このようにすれば、この照明光学系100から射出された照明光の色バランスを種々に調整することができる。例えば、光源の光の成分のうち青色光の成分が少ない場合に、反射型偏光板の青色光の反射/透過特性を他の色光よりも高く設定することにより、色バランスのよい照明光とすることができる。
【0039】
B.投写型表示装置:
図5は、本発明の投写型表示装置の要部を示す概略平面図である。この投写型表示装置10は、上記照明光学系100を適用した投写型表示装置である。
【0040】
投写型表示装置10は、上記照明光学系100と、ダイクロイックミラー210,212と、反射ミラー218,222,224と、入射側レンズ230と、リレーレンズ232と、3枚のフィールドレンズ240,242,244と、3枚の液晶ライトバルブ(液晶パネル)250,252,254と、クロスダイクロイックプリズム260と、投写レンズ系270とを備えている。
【0041】
照明光学系100は、上述したように、偏光方向の揃えられた直線偏光光(上述の例では、s偏光光)の照明光を射出し、照明領域180である液晶ライトバルブ250,252,254を照明する。なお、液晶ライトバルブ250,252,254の光の入射面には、通常、偏光板が設けられているため、照明光学系100から射出される直線偏光光の偏光方向を、これらの偏光板が透過可能な偏光方向とする。このようにすれば、照明光学系100から射出された照明光を効率よく利用することができる。
【0042】
2枚のダイクロイックミラー210,212は、照明光学系から射出された照明光を、赤、緑、青の3色の色光に分離する色光分離手段としての機能を有する。第1のダイクロイックミラー210は、照明光学系100からされた白色光束の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第1のダイクロイックミラー210を透過した赤色光は、反射ミラー218で反射され、フィールドレンズ240を通って赤光用の液晶ライトバルブ250に達する。このフィールドレンズ240は、第2のレンズアレイ140から射出された各部分光束をその中心軸に対して平行な光束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ242,244も同様である。第1のダイクロイックミラー210で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は第2のダイクロイックミラー212によって反射され、フィールドレンズ242を通って緑光用の液晶ライトバルブ252に達する。一方、青色光は、第2のダイクロイックミラー212を透過し、入射側レンズ230、リレーレンズ232および反射ミラー222,224を備えたリレーレンズ系を通り、さらにフィールドレンズ(射出側レンズ)244を通って青色光用の液晶ライトバルブ254に達する。なお、青色光にリレーレンズ系が用いられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ230に入射した部分光束をそのまま、射出側レンズ244に伝えるためである。
【0043】
3枚の液晶ライトバルブ250,252,254は、与えられた画像情報(画像信号)に従って、3色の色光をそれぞれ変調して画像を形成するための光を射出する電気光学効果デバイスとしての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム260は、液晶ライトバルブ250,252,254からそれぞれ射出された3色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム260には、赤光を反射する誘電体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜とが、4つの直角プリズムの界面に略X字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって3つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム260で生成された合成光は、投写レンズ系270の方向に射出される。投写レンズ系270は投写光学系としての機能を有し、クロスダイクロイックプリズム260で生成された合成光を投写スクリーン300上に拡大投写して、カラー画像を表示する。
【0044】
投写型表示装置10は、照明光学系100を用いることによって、簡単な構成で光の利用効率の高い投写型表示装置を実現することができる。
【0045】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0046】
(1)上記投写型表示装置の説明においては、透過型の投写型表示装置に本発明の照明光学系を適用した場合の例について説明したが、本発明は反射型の投写型表示装置にも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶ライトバルブ等の光変調手段が光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、光変調手段が光を反射するタイプであることを意味している。反射型の投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムは、白色光を赤、緑、青の3色の光に分離する色光分離手段として利用できると共に、変調された3色の光を再度合成して同一の方向に射出する色光合成手段としても利用できる。反射型の投写型表示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型表示装置とほぼ同様な効果を得ることができる。
【0047】
(2)また、上記投写型表示装置においては、カラー画像を表示する投写型表示装置を例に説明しているが、モノクロ画像を表示する投写型表示装置に適用することも可能である。この場合にも、上記投写型表示装置と同様な効果を得ることができる。
【0048】
(3)また、上記投写型表示装置においては、電気光学効果デバイスとして液晶装置(液晶ライトバルブ)を例に説明しているが、DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)ディスプレイ等の種々の電気光学効果デバイスを適用した装置に適用可能である。また、投写型表示装置に限らず直視型の表示装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の照明光学系の要部を示す概略平面図である。
【図2】第1のレンズアレイ120の外観を示す斜視図である。
【図3】偏光分離板130と、第1のレンズアレイ120と、第2のレンズアレイ140と、複数のλ/2位相差板152とを示す概略平面図である。
【図4】反射型偏光板の構成を示す説明図である。
【図5】本発明の投写型表示装置の要部を示す概略平面図である。
【図6】従来の照明光学系の要部を示す概略平面図である。
【符号の説明】
10…投写型表示装置
100…照明光学系
110…光源
112…光源ランプ
114…凹面鏡
120…第1のレンズアレイ
120LC…中心光軸
122…小レンズ
130…偏光分離板
132…ガラス基板
134…反射型偏光板
136…反射板
140…第2のレンズアレイ
142…小レンズ
143…小レンズ
160…重畳レンズ
180…照明領域
210,212…ダイクロイックミラー
218…反射ミラー
222,224…反射ミラー
230…入射側レンズ
232…リレーレンズ
240,242,244…フィールドレンズ
250,252,254…液晶ライトバルブ
260…クロスダイクロイックプリズム
270…投写レンズ系
300…投写スクリーン
601…A層
602…B層
1000…照明光学系
1020…レンズアレイ
1022…小レンズ
1030…偏光分離部
1031…直角プリズム
1032…光入射面
1033…射出面
1034…斜面
1035…反射膜
1035…偏光分離板
1036…ガラス基板
1038…偏光分離膜
1039…反射膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illumination optical system using illumination light as linearly polarized light, and a projection display device using the illumination optical system.
[0002]
[Prior art]
One of devices that display a display screen such as a computer or a television is a projection display device. The projection display device modulates light emitted from a light source by an electro-optic effect device called a light valve, and projects the modulated light on a screen to display an image.
[0003]
A liquid crystal device is mainly used as a light valve of such a projection display device. In a liquid crystal device, a surface on which illumination light is incident is usually provided with a polarizing plate, and only predetermined linearly polarized light is used as illumination light, and other linearly polarized light is not used as illumination light. Therefore, in a projection display device in which illumination light having non-polarized light illuminates the liquid crystal device, the use efficiency of the illumination light is reduced, and the projection light is projected on the screen compared to the brightness of the illumination light. The image becomes dark. In order to solve this problem, conventionally, a polarization conversion optical system that converts non-polarized illumination light into linearly polarized light that can be used in a liquid crystal device has been used in the illumination optical system.
[0004]
FIG. 6 is a schematic plan view showing a main part of a conventional illumination optical system. The illumination
[0005]
A non-polarized light beam (light having both an s-polarized component and a p-polarized component) emitted from a light source (not shown) is divided into a plurality of partial light beams by a plurality of
[0006]
A λ / 2
[0007]
As described above, the illumination
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the polarization separation film 1038 is formed by laminating a plurality of dielectrics, it is not easy to manufacture the
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems in the prior art, and by realizing a polarization conversion optical system with a simpler configuration compared to the prior art, an illumination optical system with high light utilization efficiency and this It is an object of the present invention to provide a projection display device using the above-mentioned.
[0010]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve the above-described problems, the illumination optical system of the present invention includes:
An illumination optical system for illuminating a predetermined illumination area,
A light source that emits a non-polarized light beam;
A light beam splitting optical system that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams;
A polarization conversion optical system that converts the plurality of partial light beams into predetermined linearly polarized light and emits the light;
A superimposing optical system that superimposes each of the plurality of partial light beams emitted from the polarization conversion optical system so as to illuminate the predetermined illumination area;
The light beam splitting optical system has a lens array that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams and collects each partial light beam,
The polarization conversion optical system is
Incident light fluxA reflective polarizing plate that separates into two types of linearly polarized light, reflects one linearly polarized light, and transmits the other linearly polarized light;Arranged parallel to the reflective polarizing plate,A reflective plate that reflects the other linearly polarized light transmitted through the reflective polarizing plate;For each of a plurality of partial light beams emitted from the lens array,One linearly polarized light reflected by the reflective polarizing plate and the other linearly polarized light reflected by the reflectorInA polarization separation unit that spatially separates;
Ejected from the polarization separatorFor each of the plurality of partial luminous fluxesA polarization conversion unit that converts one polarization direction of the two types of linearly polarized light into the other polarization direction, and aligns the two types of linearly polarized light with predetermined linearly polarized light; To do.
[0011]
The illumination optical system is configured to substantially separate each of the plurality of partial light beams into two types of linearly polarized light by a reflective polarizing plate. Therefore, it is easier to manufacture the polarization separation unit than in the past. As a result, a polarization conversion optical system can be realized with a simpler configuration than in the past, and illumination optics with high light utilization efficiency can be provided.
[0012]
In the illumination optical system,
The reflection-type polarizing plate has light transmittance and reflectance adjusted so that the color of the illumination light that illuminates the predetermined illumination area becomes a predetermined color light.HaveIt is preferable. At this time, the reflection-type polarizing plate is adjusted so that light transmittance and reflectance in a specific wavelength region of incident light are higher than light transmittance and reflectance in other wavelength regions. You may do it. Alternatively, the reflective polarizing plate is adjusted so that the transmittance and reflectance of light in a specific wavelength region of incident light is lower than the transmittance and reflectance of light in other wavelength regions. It may be.
[0013]
If any of the above is performed, illumination light having a desired color balance can be realized.
[0014]
The projection display device of the present invention is
A projection display device that projects and displays an image on a screen,
An electro-optic effect device that emits light that forms an image in response to a given image signal;
An illumination optical system for irradiating illumination light to the electro-optic effect device;
A projection optical system that projects light emitted from the electro-optic effect device and projects an image on the screen;
With
The illumination optical system includes:
A light source that emits a non-polarized light beam;
A light beam splitting optical system that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams;
A polarization conversion optical system that converts the plurality of partial light beams into predetermined linearly polarized light and emits the light;
A superimposing optical system that superimposes each of the plurality of partial light beams emitted from the polarization conversion optical system so as to illuminate the predetermined illumination area;
The light beam splitting optical system has a lens array that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams and collects each partial light beam,
The polarization conversion optical system is
Incident light fluxA reflective polarizing plate that separates into two types of linearly polarized light, reflects one linearly polarized light, and transmits the other linearly polarized light;Arranged parallel to the reflective polarizing plate,A reflective plate that reflects the other linearly polarized light transmitted through the reflective polarizing plate;For each of a plurality of partial light beams emitted from the lens array,One linearly polarized light reflected by the reflective polarizing plate and the other linearly polarized light reflected by the reflectorInA polarization separation unit that spatially separates;
Ejected from the polarization separatorFor each of the plurality of partial luminous fluxesA polarization conversion unit that converts one polarization direction of the two types of linearly polarized light into the other polarization direction, and aligns the two types of linearly polarized light with predetermined linearly polarized light; To do.
[0015]
Since the projection display apparatus uses the illumination optical system, the same operations and effects as the illumination optical system can be obtained. Accordingly, it is possible to provide a projection display device having a simple configuration and high light use efficiency.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the light traveling direction is the z direction, the 3 o'clock direction is the x direction, and the 12 o'clock direction is the y direction when viewed from the light traveling direction (z direction).
[0017]
A. Illumination optics:
FIG. 1 is a schematic plan view showing the main part of the illumination optical system of the present invention. The illumination
[0018]
The
[0019]
The first and
[0020]
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the
[0021]
A
[0022]
The
[0023]
FIG. 3 is a schematic plan view showing the
[0024]
The λ / 2
[0025]
The
[0026]
Here, the distance Dp between the two linearly polarized light beams separated from one partial light beam as described above is substantially equal to √2 times the thickness t of the
[0027]
Returning to FIG. 1, the superimposing
[0028]
The substantially parallel light beam emitted from the
[0029]
In FIG. 1, the
[0030]
In addition, the reflective
[0031]
As described above, the reflective
[0032]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the configuration of the reflective polarizing plate. The reflective polarizing plate can be configured as a polymer material film having a multilayer structure. This multilayer structure film is composed of a laminate of films formed by stretching a polymer, and has a multilayer structure in which two different types of layers 601 (A layer) and 602 (B layer) are alternately laminated in the Z-axis direction. Have. For example, polyethylene naphthalate (PEN; polyethylene napthalate) is used for the
[0033]
The refractive index (nax) in the x-axis direction and the refractive index (nay) in the y-axis direction of the
[0034]
Thus, in the y-axis direction, since there is substantially no difference in refractive index between the stacked layers, of the light incident on the multilayer structure film, linearly polarized light in the y-axis direction (s-polarized light in the embodiment) Light passes through this multilayer structure film while maintaining its polarization axis.
[0035]
On the other hand, regarding the polarization in the x-axis direction, the linearly polarized light in the x-axis direction is reflected by setting the film thicknesses of the A layer and the B layer as follows. That is, when the layer thickness in the z-axis direction of the
[0036]
ta · nax + tb · nbx≈λ / 2 (1)
[0037]
In this way, light of the wavelength λ that is linearly polarized light in the x-axis direction (p-polarized light in the embodiment) is reflected as polarized light in the x-axis direction at the interface between the adjacent A layer and B layer. become. A plurality of sets of A layer / B layer pairs in which the layer thicknesses ta and tb of the
[0038]
Therefore, in the reflective polarizing plate, the
[0039]
B. Projection display:
FIG. 5 is a schematic plan view showing the main part of the projection display apparatus of the present invention. The
[0040]
The
[0041]
As described above, the illumination
[0042]
The two
[0043]
The three liquid crystal
[0044]
By using the illumination
[0045]
The present invention is not limited to the above examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0046]
(1) In the above description of the projection display device, an example in which the illumination optical system of the present invention is applied to a transmissive projection display device has been described. However, the present invention also applies to a reflection projection display device. It is possible to apply. Here, “transmission type” means that the light modulation means such as a liquid crystal light valve transmits light, and “reflection type” means that the light modulation means reflects light. It means that there is. In a reflective projection display device, the cross dichroic prism can be used as a color light separating means for separating white light into three colors of red, green, and blue, and can also recombine the modulated three colors of light. It can also be used as color light combining means for emitting light in the same direction. Even when the present invention is applied to a reflective projection display device, substantially the same effect as that of a transmissive projection display device can be obtained.
[0047]
(2) In the above-described projection display device, a projection display device that displays a color image has been described as an example. However, the projection display device can also be applied to a projection display device that displays a monochrome image. Also in this case, the same effect as that of the projection display device can be obtained.
[0048]
(3) In the projection display device, a liquid crystal device (liquid crystal light valve) is described as an example of an electro-optical effect device. However, various electro-optical effect devices such as a DMD (digital micromirror device) display are used. It is applicable to a device to which Further, the present invention can be applied not only to a projection display device but also to a direct view display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing a main part of an illumination optical system of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an appearance of a
3 is a schematic plan view showing a
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration of a reflective polarizing plate.
FIG. 5 is a schematic plan view showing the main part of the projection display apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a schematic plan view showing a main part of a conventional illumination optical system.
[Explanation of symbols]
10. Projection display device
100: Illumination optical system
110: Light source
112 ... Light source lamp
114 ... concave mirror
120... First lens array
120LC ... Center optical axis
122 ... Small lens
130: Polarization separator
132 ... Glass substrate
134 ... reflective polarizing plate
136 ... reflector
140 ... second lens array
142 ... Small lens
143 ... Small lens
160 ... Superimposing lens
180 ... lighting area
210, 212 ... Dichroic mirror
218 ... Reflection mirror
222, 224 ... Reflection mirror
230 ... Incident side lens
232 ... Relay lens
240, 242, 244 ... Field lens
250, 252, 254 ... Liquid crystal light valve
260 ... Cross dichroic prism
270 ... Projection lens system
300 ... projection screen
601 ... A layer
602 ... B layer
1000: Illumination optical system
1020 ... Lens array
1022 ... Small lens
1030: Polarization separator
1031 ... Right angle prism
1032: Light incident surface
1033: Ejection surface
1034 ... Slope
1035: Reflective film
1035 ... Polarization separator
1036 ... Glass substrate
1038 ... Polarized light separation film
1039 ... Reflective film
Claims (5)
非偏光な光束を射出する光源と、
前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学系と、
前記複数の部分光束を所定の直線偏光光に変換して射出する偏光変換光学系と、
前記偏光変換光学系から射出された複数の部分光束のそれぞれが、前記所定の照明領域を照明するように重畳する重畳光学系と、を備え、
前記光束分割光学系は、前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束を集光させるレンズアレイを有しており、
前記偏光変換光学系は、
入射した光束を2種類の直線偏光光に分離するとともに、一方の直線偏光光については反射し、他方の直線偏光光については透過する反射型偏光板と、前記反射型偏光板に平行に配置され、前記反射型偏光板を透過した前記他方の直線偏光光を反射する反射板とを有し、前記レンズアレイから射出された複数の部分光束のそれぞれについて、前記反射型偏光板で反射された一方の直線偏光光と、前記反射板で反射された他方の直線偏光光とに空間的に分離する偏光分離部と、
前記偏光分離部から射出された前記複数の部分光束のそれぞれについて、前記2種類の直線偏光光のうち、一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換して、前記2種類の直線偏光光を所定の直線偏光光に揃える偏光変換部と、を備える、
照明光学系。An illumination optical system for illuminating a predetermined illumination area,
A light source that emits a non-polarized light beam;
A light beam splitting optical system that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams;
A polarization conversion optical system that converts the plurality of partial light beams into predetermined linearly polarized light and emits the light;
A superimposing optical system that superimposes each of the plurality of partial light beams emitted from the polarization conversion optical system so as to illuminate the predetermined illumination area;
The light beam splitting optical system has a lens array that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams and collects each partial light beam,
The polarization conversion optical system is
The incident light beam is separated into two types of linearly polarized light, and one of the linearly polarized light is reflected and the other of the linearly polarized light is transmitted and arranged in parallel to the reflective polarizing plate. , and a reflecting plate for reflecting the reflective polarizer wherein the other of the linearly polarized light transmitted through, for each of the plurality of partial light fluxes emitted from the lens array, while being reflected by the reflective polarizer A polarization separation unit that spatially separates the linearly polarized light and the other linearly polarized light reflected by the reflector;
For each of the plurality of partial light beams emitted from the polarization separation unit, one of the two types of linearly polarized light is converted into the other polarization direction, and the two types of linearly polarized light are predetermined. A polarization conversion unit that aligns the linearly polarized light of
Illumination optical system.
前記反射型偏光板は、前記所定の照明領域を照明する照明光の色が所定の色光となるように光の透過率および反射率が調整されている、
照明光学系。The illumination optical system according to claim 1,
In the reflective polarizing plate, the transmittance and reflectance of light are adjusted so that the color of the illumination light that illuminates the predetermined illumination area becomes a predetermined color light,
Illumination optical system.
前記反射型偏光板は、入射する光のうち特定の波長領域における光の透過率および反射率が他の波長領域における光の透過率および反射率よりも高くなるように構成されている、
照明光学系。The illumination optical system according to claim 2,
The reflective polarizing plate is configured such that light transmittance and reflectance in a specific wavelength region of incident light are higher than light transmittance and reflectance in other wavelength regions.
Illumination optical system.
前記反射型偏光板は、入射する光のうち特定の波長領域における光の透過率および反射率が他の波長領域の光の透過率および反射率よりも低くなるように構成されている、
照明光学系。The illumination optical system according to claim 2,
The reflective polarizing plate is configured such that light transmittance and reflectance in a specific wavelength region of incident light are lower than light transmittance and reflectance in other wavelength regions.
Illumination optical system.
与えられた画像信号に応じて画像を形成する光を射出する電気光学効果デバイスと、
前記電気光学効果デバイスに照明光を照射する照明光学系と、
前記電気光学効果デバイスから射出された光を投影して前記スクリーン上に画像を投写する投写光学系と、
を備え、
前記照明光学系は、
非偏光な光束を射出する光源と、
前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学系と、
前記複数の部分光束を所定の直線偏光光に変換して射出する偏光変換光学系と、
前記偏光変換光学系から射出された複数の部分光束のそれぞれが、前記所定の照明領域を照明するように重畳する重畳光学系と、を備え、
前記光束分割光学系は、前記光源から射出された光束を複数の部分光束に分割するとともに、各部分光束を集光させるレンズアレイを有しており、
前記偏光変換光学系は、
入射した光束を2種類の直線偏光光に分離するとともに、一方の直線偏光光については反射し、他方の直線偏光光については透過する反射型偏光板と、前記反射型偏光板に平行 に配置され、前記反射型偏光板を透過した前記他方の直線偏光光を反射する反射板とを有し、前記レンズアレイから射出された複数の部分光束のそれぞれについて、前記反射型偏光板で反射された一方の直線偏光光と、前記反射板で反射された他方の直線偏光光とに空間的に分離する偏光分離部と、
前記偏光分離部から射出された前記複数の部分光束のそれぞれについて、前記2種類の直線偏光光のうち、一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換して、前記2種類の直線偏光光を所定の直線偏光光に揃える偏光変換部と、を備える、
投写型表示装置。A projection display device that projects and displays an image on a screen,
An electro-optic effect device that emits light that forms an image in response to a given image signal;
An illumination optical system for irradiating illumination light to the electro-optic effect device;
A projection optical system that projects light emitted from the electro-optic effect device and projects an image on the screen;
With
The illumination optical system includes:
A light source that emits a non-polarized light beam;
A light beam splitting optical system that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams;
A polarization conversion optical system that converts the plurality of partial light beams into predetermined linearly polarized light and emits the light;
A superimposing optical system that superimposes each of the plurality of partial light beams emitted from the polarization conversion optical system so as to illuminate the predetermined illumination area;
The light beam splitting optical system has a lens array that splits a light beam emitted from the light source into a plurality of partial light beams and collects each partial light beam,
The polarization conversion optical system is
The incident light beam is separated into two types of linearly polarized light, and one of the linearly polarized light is reflected and the other of the linearly polarized light is transmitted and arranged in parallel to the reflective polarizing plate. , and a reflecting plate for reflecting the reflective polarizer wherein the other of the linearly polarized light transmitted through, for each of the plurality of partial light fluxes emitted from the lens array, while being reflected by the reflective polarizer A polarization separation unit that spatially separates the linearly polarized light and the other linearly polarized light reflected by the reflector;
For each of the plurality of partial light beams emitted from the polarization separation unit, one of the two types of linearly polarized light is converted into the other polarization direction, and the two types of linearly polarized light are predetermined. A polarization conversion unit that aligns the linearly polarized light of
Projection display device.
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