JP3646597B2 - 投写型画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変調手段である液晶パネルを青、緑、赤の各色光毎に配し、表示画像を装置内で合成して投写することで拡大画像を得る３板式投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在透過型液晶ライトバルブを用いた投写型画像表示装置を中心にプロジェクター市場が急拡大しつつある。商品の流れは高輝度化と小型化に大別できる。特に小型化については従来主流であった液晶パネル有効開口部の対角長１．３インチのものから０．９インチ、将来は更に小型化が進むものと考えられる。有効開口部の小型化が進むと同時に透過型ではＢＭ（ブラックマトリックス）の微細化が進んでおり、開口率は従来のひとまわり大きいパネルと同程度に高開口率化を実現できるようになっている。従ってこのパネル上の表示画像を合成する色合成部にもより高精度化が要求されている。
【０００３】
次に液晶パネルを用いた従来の投写型画像表示装置の構造について述べる。青、緑、赤の各色光毎にパネルを配した３板式は色合成の特徴からクロスプリズム方式とミラー順次方式の２つがある。以下図７にクロスプリズム方式の構成による投写型画像表示装置と図８にミラー順次方式の構成による投写型画像表示装置の従来の概略基本構成を示したのでこれについて説明する。
【０００４】
図７はクロスプリズム方式の投写型画像表示装置１００を示す。光源部１０１、色分解光学系１０２、リレー光学系１０３、ライトバルブ部１０４、色合成光学系１０５、投写光学系１０６とからなる。光源部１０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源１０７と、光源１０７からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター１０８とからなる。光源部１０１からの光は色分解光学系１０２に入射する。まず青透過ダイクロイックミラー１０９に入射した光のうち、青光はここを透過し全反射ミラー１１０で反射され、コンデンサーレンズ１１１を経て青用ライトバルブユニット１１２に至る。青透過ダイクロイックミラー１０９で反射された緑光、赤光は緑反射ダイクロイックミラー１１３に入射し、このうち緑光はコンデンサーレンズ１１４を経て緑用ライトバルブユニット１１５に至る。赤光は緑反射ダイクロイックミラー１１３を透過し、リレー光学系１０１に入射する。
【０００５】
ここに入射し赤光は入射側レンズ１１６、全反射ミラー１１７、中間レンズ１１８、全反射ミラー１１９、コンデンサーレンズ１２０を経て赤用ライトバルブユニット１２１に至る。ライトバルブ部１０４は先に述べたように青用ライトバルブユニット１１２、緑用ライトバルブユニット１１５、赤用ライトバルブユニット１２１として各色光毎に配置されている。このライトバルブ部１０４は図２にあるように入射側偏光板１２２と液晶パネル１２３と出射側偏光板１２４とからなっており、入射側偏光板１２２はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板１２２を透過した光は液晶パネル１２３に入射する。この液晶パネル１２３は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。
【０００６】
ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板１２４は入射側偏光板１２２と直交した方向の偏光特性を有する。従って液晶パネル１２３が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板１２４の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル１２３が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板１２４の透過軸と直交するためここで吸収される。
【０００７】
このようにしてライトバルブ部１０４を透過した光は色合成光学系１０５に入射する。色合成光学系１０５は青反射ダイクロイックミラー面１２５と赤反射ダイクロイックミラー面１２６が直交して配されるように三角柱のプリズムを４個貼り合わせてなる色合成プリズム１２７であり、ここに入射した青光、赤光は反射されて投写光学系１０６に入射する。緑光は青反射ダイクロイックミラー面１２５と赤反射ダイクロイックミラー面１２６を透過して投写光学系１０６に入射する。このようにして投写光学系１０６で前記ライトバルブ部１０２上の画像が図にはないスクリーン上に拡大投写される。
【０００８】
次に図８にミラー順次方式の構成による投写型画像表示装置を示す。
【０００９】
光源部２０１、色分解光学系２０２、ライトバルブ部２０３、色合成光学系２０４、投写光学系２０５とからなる。光源部２０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源２０６と、光源２０６からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター２０７とからなる。光源部２０１からの光は色分解光学系２０２に至る。まず青反射ダイクロイックミラー２０８に入射した光のうち、青光はここで反射され更に反射ミラー２０９で反射され、コンデンサーレンズ２１０を経て青用ライトバルブユニット２１１に至る。
【００１０】
青反射ダイクロイックミラー２０８を透過した緑光、赤光は緑反射ダイクロイックミラー２１２に入射し、このうち緑光はコンデンサーレンズ２１３を経て緑用ライトバルブユニット２１４に至る。赤光は緑反射ダイクロイックミラー２１２を透過し、コンデンサーレンズ２１５を経て赤用ライトバルブユニット２１６に至る。ライトバルブ部２０３は先に述べたように青用ライトバルブユニット２１１、緑用ライトバルブユニット２１４、赤用ライトバルブユニット２１６として各色光毎に配置されている。
【００１１】
このライトバルブ部２０３は図２にあるように入射側偏光板２１７と液晶パネル２１８と出射側偏光板２１９とからなっており、入射側偏光板２１７はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板２１７を透過した光は液晶パネル２１８に入射する。この液晶パネル２１８は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板２１９は入射側偏光板２１７と直交した方向の偏光特性を有する。
【００１２】
従って液晶パネル２１８が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板２１９の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル２１８が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板２１９の透過軸と直交するためここで吸収される。
【００１３】
このようにしてライトバルブ部２０３を透過した光は色合成光学系２０４に入射する。色合成光学系２０４は緑反射ダイクロイックミラー２２０、赤反射ダイクロイックミラー２２１、全反射ミラー２２２とからなる。青用ライトバルブユニット２１１から出射された光は緑反射ダイクロイックミラー２２０、赤反射ダイクロイックミラー２２１を透過して投写光学系である投写レンズ２２３に入射する。この投写レンズ２２３は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。
【００１４】
緑用ライトバルブユニット２１４から出射された光は緑反射ダイクロイックミラー２２０で反射された後、赤反射ダイクロイックミラー２２１を透過して投写光学系である投写レンズ２２３に入射する。赤用ライトバルブユニット２１６から出射された光は全反射ミラー２２２、赤反射ダイクロイックミラー２２１で反射され、投写光学系である投写レンズ２２３に入射する。このようにして前記ライトバルブ部２０３上の画像が図にはないスクリーン上で色合成された拡大画像として得られる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に示した投写型画像表示装置は現在プレゼンテーション用に提供されている代表的な構成を示したものであり、以上の２構成それぞれの特徴を示す。
【００１６】
クロスプリズム方式で色合成を行う投写型画像表示装置は１）パネルから投写レンズまでの投写距離が短く出来るため短焦点化、投写レンズの小型化に有利。２）色合成部が小型に形成され、反射面がプリズムで形成されているので振動や衝撃に対して精度を確保しやすい。などの有利な点が有る反面１）４つのプリズムの合わせ精度が確保できなと投写画像中央に縦線が出る。２）ひとつの反射面を形成する２つのプリズムのダイクロイックミラー面分光特性が同一でないと色ムラが生じる。３）ひとつの反射面を形成する２つのプリズムのダイクロイックミラー面がねじれ、ずれなく同一面を形成していないと投写画像に２重像などピントのボケが生じる。４）色分解光学系にリレー光学系が必要になることから装置が大きくなる、リレー光学系により光源像がリレー光学系を介さない２色に対して上下左右反転する事から光源あるいは照明光学系に輝度ムラがあった場合に色ムラとなって現れるため画質を大きく損ねる。などの問題があり、特に１）、３）、４）については先に述べたパネルの高精細化と共にその加工精度が更に高く要求される。
【００１７】
ミラー順次方式で色合成を行う投写型画像表示装置は１）比較コストが安く、大型のパネルにも対応しやすい。２）軽量に出来る。３）リレー光学系がないので比較的小型に、かつ光源部の輝度ムラの影響が投写画像として検知されにくい。などの有利な点が有る反面１）斜めに配置された平行平面板を透過するため、非点隔差が生じ縦線と横線でピントの位置がずれて投写像がぼける。２）薄いガラス板上に形成されるダイクロイックミラー面の平面度が得られにくく。投写像がぼける。３）色合成部が大きくなることから機構的強度が得られにくく、振動など外力に対して弱く、コンバージェンス精度を維持しにくい。などの問題があり、特に後者の問題点１）２）についてはパネルの小型化、高精細化が進む中で致命的問題であり、クロスプリズム方式も解決すべき課題は或るものの現在この方式が主流を占めている。
【００１８】
以上の状況を鑑み、パネルの小型化、高精細化への移行に上記従来の光学系の持つ問題点を克服できる新光学系を開発することが課題となっている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明による投写型画像表示装置は、白色光を発する光源部と、前記光源部からの白色光を第１、第２および第３の色光に分光する色分解光学系と、前記色分解光学系を経た各前記第１、第２および第３の色光を調光できる長方形の有効開口部を備えたライトバルブ部と、前記ライトバルブ部で調光された前記第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系と、前記ライトバルブ部上の画像を拡大投写可能に投写レンズを備えており、前記色合成光学系はおよそ３０度の頂角を備えた三角柱形状の第１、第２および第３のプリズムを各頂角が隣接するよう２つの接合面で接合されてなり、前記接合面には前記頂角を成す面であり色選択手段である第１および第２のダイクロイックミラー面が形成されており、また前記第１、第２および第３のプリズムの頂角と対向する面はそれぞれ前記第１、第２および第３の色光の入射面であり、前記ライトバルブ部は、前記第１、第２および第３の色光にそれぞれ対応する第１、第２および第３のライトバルブを備え、前記色分解光学系は、第１および第２のダイクロックミラーと、第１、第２および第３の反射ミラーとを備え、前記光源部から前記第１、第２および第３のライトバルブまでの前記第１、第２および第３の色光の光路長が等しくなるように構成されていることを特徴としてなる。
さらに、本発明による投写型画像表示装置は、前記光源部からの白色光は前記第１のダイクロックミラーに入射され前記第１および第２の色光と前記第３の色光とに分光され、前記第１および第２の色光は前記第１のダイクロックミラーに入射して第１の色光と第２の色光とに分光され、分光された第１の色光は、前記第１の反射ミラーで反射され、前記第１のライトバルブに入射し、分光された第２の色光は、前記第２の反射ミラーで反射され、前記第２のライトバルブに入射し、分光された第３の色光は、前記第３の反射ミラーで反射され、前記第３のライトバルブに入射することを特徴としてなる。
【００２０】
さらに、本発明による投写型画像表示装置において、前記第１の色光は、前記第１のプリズム上の第１の入射面から入射し、前記第１のプリズム、前記第１のダイクロイックミラー面、前記第２のプリズム、前記第２のダイクロイックミラー面、前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取り、前記第２の色光は、前記第２のプリズム上の第２の入射面から入射し、前記第２のプリズムを透過後、前記第１のダイクロイックミラー面で反射せしめられ再度前記第２のプリズムを透過後、前記第２のダイクロイックミラー面、前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取り、前記第３の色光は、前記第３のプリズム上の第３の入射面から入射し、前記第３のプリズムを透過後、前記第３プリズムの頂角を成す面のうち接合面でない面において反射せしめられ再度前記第３のプリズムを透過後前記第２のダイクロイックミラー面で反射せしめられ再々度前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取ることを特徴として構成出来る。
【００２１】
前記第２、第３の入射面から入射する前記第２および第３の色光は前記第１、第２のダイクロイックミラー面に対してＳ偏光の偏光光であることを特徴とすることが望ましく、また前記第１の入射面から入射する前記第１の色光は前記第１、第２のダイクロイックミラー面に対してＰ偏光の偏光光であることを特徴とすることが望ましい。
【００２２】
前記第１の入射面から入射する前記第１の色光は緑光であり、色合成光学系のダイクロイックミラーは赤反射と青反射の各特性を有していることが望ましい。
【００２３】
前記第１、第２および第３のプリズムは同形状であることを特徴として構成することが可能である。
【００２４】
特に色分解光学系において前記第１のダイクロイックミラーと第１の色光用ライトバルブ部近傍の前記第１の反射ミラーを結ぶ光軸と、第１の色光用ライトバルブ部近傍の前記第１の反射ミラーと色合成光学系出射面を結ぶ光軸とがおよそ直交する関係にあり、第１のダイクロイックミラーに入射する主光線の入射角は４５度よりも小さいことを特徴として構成する、あるいは色分解光学系において前記第１のダイクロイックミラーと第３の色光用ライトバルブ部近傍の前記第３の反射ミラーを結ぶ光軸と、第１の色光用ライトバルブ部近傍の前記第１の反射ミラーと色合成光学系出射面を結ぶ光軸とがおよそ平行の関係にあり、第１のダイクロイックミラーに入射する主光線の入射角は４５度よりも大きいことを特徴として構成することが出来る。
【００２５】
またライトバルブ部は少なくとも偏光子である入射側偏光板と、透過型液晶パネルと、検光子である出射側偏光板から構成されていることを特徴として構成できる。
【００２６】
さらに、３０度の頂角を備えた三角柱形状のプリズムの底面形状は直角三角形であることを特徴に構成することで接合後、最も簡単な形状となり望ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に依れば色合成光学系は略同形状のプリズムを接合することで形成されており、強度上の問題や経時変化にも有利であり、ガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（従来例のクロスプリズムタイプよりは長くなるが、ミラー順次方式よりも圧倒的に短い）
更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているのでクロスプリズムタイプよりもピントに与えるデメリットはなく、また合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成できる。また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。
【００２８】
色分解光学系もリレー光学系を必要としない構成が可能なことから、全体構成も小型化を実現しつつリレー光学系による画像反転による色ムラや、リレー光学系分のコストが削減できることは言うまでもない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の概略構成図である。赤色光用光源部３０１、青色光用光源部３０２、緑色光用光源部３０３、ライトバルブ部３０４、色合成光学系３０５、投写光学系３０６とからなる。赤色光用光源部３０１は電極間の放電によりアークを形成し白色のランダム偏光光を発生する光源３０７と、光源３０７からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター３０８と、その開口前面に配置された赤透過ダイクロイックフィルター３０９とからなる。
【００３０】
青色光用光源部３０２は電極間の放電によりアークを形成し白色のランダム偏光光を発生する光源３１０と、光源３１０からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター３１１と、その開口前面に配置された青透過ダイクロイックフィルター３１２とからなる。緑色光用光源部３０３は電極間の放電によりアークを形成し白色のランダム偏光光を発生する光源３１３と、光源３１３からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター３１４と、その開口前面に配置された緑透過ダイクロイックフィルター３１５とからなる。
【００３１】
赤色光用光源部３０１からの赤色光は、コンデンサーレンズ３１６を経て赤用ライトバルブユニット３１７に至る。青色光用光源部３０２からの青色光は、コンデンサーレンズ３１８を経て青用ライトバルブユニット３１９に至る。緑色光用光源部３０３からの緑色光は、コンデンサーレンズ３２０を経て緑用ライトバルブユニット３２１に至る。ライトバルブ部３０３は先に述べたように赤用ライトバルブユニット３１７、青用ライトバルブユニット３１９、緑用ライトバルブユニット３２１として各色光毎に配置されている。このライトバルブ部３０３は図２にあるように入射側偏光板３２２と液晶パネル３２３と出射側偏光板３２４とからなっており、入射側偏光板３２２はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。
【００３２】
入射側偏光板３２２を透過した光は液晶パネル３２３に入射する。この液晶パネル３２３は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板３２４は入射側偏光板３２２と直交した方向の偏光特性を有する。従って液晶パネル３２３が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板３２４の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル３２３が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板３２４の透過軸と直交するためここで吸収される。ここで出射側偏光板３２１は紙面に対して手前−奥方向に振動方向（透過軸）を持つ用に設定されている。このようにしてライトバルブ部３０３を透過した光は色合成光学系３０４に入射する。
【００３３】
色合成光学系３０４は頂角を３０度とした三角柱形状のプリズム３２５，３２６，３２７を３つ接合してなり、その接合面には青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９が施され、緑色光の入射面３３０にはλ／２位相差板３３１が備えられてなる。緑用ライトバルブユニット３２１から出射された光はλ／２位相差板３３１を透過することで偏光方向を９０度捻られ、青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９に対してＰ偏光の光となって、三角柱形状のプリズム３２５、３２６、３２７、青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９を透過後、出射面３３２を透過して投写光学系である投写レンズ３３３に入射する。
【００３４】
この投写レンズ３３３は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。青用ライトバルブユニット３１９から出射された光は青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９に対してＳ偏光の光であり、三角柱形状のプリズム３２６を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面３２８で反射された後、再度三角柱形状のプリズム３２６を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９を透過し三角柱形状のプリズム３２７を透過し出射面３３２を透過して投写光学系である投写レンズ３３３に入射する。
【００３５】
赤用ライトバルブユニット３１７から出射された光は青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９に対してＳ偏光の光となっており、三角柱形状のプリズム３２７に入射した光はプリズム側面で全反射され、再度三角柱形状のプリズム３２７を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９で反射され、再々度三角柱形状のプリズム３２７を透過し出射面３３２を透過して投写光学系である投写レンズ３３３に入射する。
【００３６】
このように本実施の形態に依れば色合成光学系はプリズムを接合することで形成されていることから強度上の問題や経時変化にも有利であり、コンバージェンス調整後もずれることなく高画質を維持できる。またガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（空気に対して２／３）
更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているので良好なピントを実現すると同時にクロスプリズムタイプにあった合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成でき均一性の良い画像を提供できる。また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。
【００３７】
なお、本実施の形態において投写レンズから各ライトバルブまでの光路長はおよそ等しく構成されている。
【００３８】
本実施の形態において機構面について言うと、各色光による投写画像の位置を合わせるコンバー調整において言えば一般に一色のライトバルブは固定しておき、他の２色のライトバルブに調整裕度を持たせるのが一般的であり、ここでは中央の青色光用のライトバルブを固定とする構成を取るのが調整のし易さや他の色光用のライトバルブ間の調整裕度を最小に出来ることから望ましいと思われる。
【００３９】
先の説明においては偏光を用いた液晶パネルをライトバルブとしたが必ずしもこれに捕らわれるものではなく、偏光に依らず画像表示を行う画像表示素子を応用可能なことは言うまでもない。ただし後に述べるが、色合成プリズム内にダイクロイックミラーを設ける場合には緑をＰ偏光透過、青赤Ｓ偏光反射とした方が各色光の混色無く帯域設定可能なことからライトバルブは偏光を利用したものの方が望ましいとは言える。この際、光源には光源からのランダム偏光光を一方向の偏光方向をもつ偏光光として出射出来る偏光方向変換光学系を併用することで明るさ効率を上げることが本発明の実施の形態においても応用可能なことは言うまでもない。
【００４０】
色合成部のプリズムにおいて色選択手段であるダイクロイックミラーの反射率を任意の色光の全帯域で反射率を確保するにはＰ偏光成分の光を入射させるのではなく、Ｓ偏光光であることが望ましい。同じ様な理由により現在商品化されている色合成にプリズムを使うタイプの色合成プリズムへの入射光はＳ偏光を扱っている。また、本実施の形態において色合成部プリズムのダイクロイックミラーを全て透過で使う緑色光について言えば、青反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも長波長よりに拠っており、赤反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも短波長よりに寄っていることから、先に述べたように青色光、赤色光がＳ偏光として色合成部で扱われた場合、緑色光はＰ偏光とした方がダイクロイックミラーの帯域を広く使えることから、有利であることは同業者で有れば周知の内容である。
【００４１】
本実施の形態において赤の光路と青の光路は入れ替え可能であることは同業者には周知である。
【００４２】
上記説明において光源は白色放電管からの光をフィルターで色選択していたが、必ずしもこれに捕らわれるものではなく、放電管でも各色光に適切なスペクトル分布を持つもので有れば色選択手段は必要ないことは明らかであり、また光源方式もレーザーやＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等放電管でない場合でも応用可能なことは言うまでもない。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２の概略構成図である。光源部４０１、色分解光学系４０２、ライトバルブ部４０３、色合成光学系４０４、投写光学系４０５とからなる。光源部４０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源４０６と、光源４０６からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター４０７とからなる。光源部４０１からの光は色分解光学系４０２に至る。まず青反射ダイクロイックミラー４０８に入射した光のうち、青光はここで反射され更に反射ミラー４０９で反射され、コンデンサーレンズ４１０を経て青用ライトバルブユニット４１１に至る。青反射ダイクロイックミラー４０８を透過した緑光、赤光は赤反射ダイクロイックミラー４１２に入射し、このうち赤光はここで反射せしめられ、更に反射ミラー４１３で反射され、コンデンサーレンズ４１４を経て赤用ライトバルブユニット４１５に至る。緑光は赤反射ダイクロイックミラー４１２を透過し、反射ミラー４１６で反射され、コンデンサーレンズ４１７を経て緑用ライトバルブユニット４１８に至る。ライトバルブ部４０３は先に述べたように青用ライトバルブユニット４１１、赤用ライトバルブユニット４１５、緑用ライトバルブユニット４１８として各色光毎に配置されている。
【００４４】
このライトバルブ部４０３は図２にあるように入射側偏光板４１９と液晶パネル４２０と出射側偏光板４２１とからなっており、入射側偏光板４１９はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板４１９を透過した光は液晶パネル４２０に入射する。この液晶パネル４２０は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板４２１は入射側偏光板４１９と直交した方向の偏光特性を有する。
【００４５】
従って液晶パネル４２０が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板４２１の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル４２０が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板４２１の透過軸と直交するためここで吸収される。ここで出射側偏光板４２１は紙面に対して手前−奥方向に振動方向（透過軸）を持つ用に設定されている。このようにしてライトバルブ部４０３を透過した光は色合成光学系４０４に入射する。
【００４６】
色合成光学系４０４は頂角を３０度とした三角柱形状のプリズム４２２，４２３，４２４を３つ接合してなり、その接合面には赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６が施され、緑色光の入射面４２７にはλ／２位相差板４２８が備えられてなる。緑用ライトバルブユニット４１８から出射された光はλ／２位相差板４２８を透過することで偏光方向を９０度捻られ、赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６に対してＰ偏光の光となって、三角柱形状のプリズム４２２、４２３、４２４、赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６を透過後、出射面４２９を透過して投写光学系である投写レンズ４３０に入射する。
【００４７】
この投写レンズ４３０は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。赤用ライトバルブユニット４１５から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６に対してＳ偏光の光であり、三角柱形状のプリズム４２３を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５で反射された後、再度三角柱形状のプリズム４２３を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面４２６を透過し三角柱形状のプリズム４２４を透過し出射面４２９を透過して投写光学系である投写レンズ４３０に入射する。
【００４８】
青用ライトバルブユニット４１１から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６に対してＳ偏光の光となっており、三角柱形状のプリズム４２４に入射した光はプリズム側面で全反射され、再度三角柱形状のプリズム４２４を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面４２６で反射され、再々度三角柱形状のプリズム４２４を透過し出射面４２９を透過して投写光学系である投写レンズ４３０に入射する。
【００４９】
このように本実施の形態に依れば色合成光学系はプリズムを接合することで形成されていることから強度上の問題や経時変化にも有利であり、コンバージェンス調整後もずれることなく高画質を維持できる。またガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（空気に対して２／３）
更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているので良好なピントを実現すると同時にクロスプリズムタイプにあった合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成でき均一性の良い画像を提供できる。また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。色分解光学系もリレー光学系を伴っていないことから全体構成も小型化を実現しつつリレー光学系による画像反転による色ムラや、リレー光学系分のコストが削減できることは言うまでもない。
【００５０】
なお、本実施の形態において光源部から各ライトバルブまでの光路長は各色光とも等しく、投写レンズから各ライトバルブまでの光路長はおよそ等しく構成されており、特にここでは青反射ダイクロイックミラー４０８と反射ミラー４１６を結ぶ光軸と出射面４２９と反射ミラー４１６を結ぶ光軸がおよそ直交して、装置の投写方向の奥行きを抑える構成を取っており、光源から青反射ダイクロイックミラー４０８に至る主光線は４５度よりも小さな入射角を持って入射するように設定し色分解光学系での光路長を等しく設定している。
【００５１】
ただし、図４のように青反射ダイクロイックミラー４０８と反射ミラー４１６を結ぶ光軸と出射面４２９と反射ミラー４１６を結ぶ光軸がおよそ直交しない関係にあり、実施の形態３にあるように青反射ダイクロイックミラー４０８と反射ミラー４０９を結ぶ光軸と出射面４２９と反射ミラー４１６を結ぶ光軸が直交しない関係ではない場合にも光源から青反射ダイクロイックミラー４０８に至る主光線は４５度よりも小さな入射角を持って入射するように構成される。
【００５２】
本実施の形態において機構面について言うと、各色光による投写画像の位置を合わせるコンバー調整において言えば一般に一色のライトバルブは固定しておき、他の２色のライトバルブに調整裕度を持たせるが、ここでは中央の赤色光用のライトバルブを固定とする構成を取るのが調整のし易さや他の色光用のライトバルブ間の調整裕度を最小に出来ることから望ましいと思われる。
【００５３】
先の説明においては偏光を用いた液晶パネルをライトバルブとしたが必ずしもこれに捕らわれるものではなく、偏光に依らず画像表示を行う画像表示素子を応用可能なことは言うまでもない。ただし説明は後述するが、色合成プリズム内にダイクロイックミラーを設ける場合には緑をＰ偏光透過、青赤Ｓ偏光反射とした方が各色光の混色無く帯域設定可能なことからライトバルブは偏光を利用したものの方が望ましいとは言える。この際、光源には光源からのランダム偏光光を一方向の偏光方向をもつ偏光光として出射出来る偏光方向変換光学系を併用することで明るさ効率を上げることが本発明の実施の形態においても応用可能なことは言うまでもない。
【００５４】
実施の形態１同様に色合成部のプリズムにおいて色選択手段であるダイクロイックミラーの反射率を任意の色光の全帯域で反射率を確保するにはＰ偏光成分の光を入射させるのではなく、Ｓ偏光光であることが望ましい。同じ様な理由により現在商品化されている色合成にプリズムを使うタイプの色合成プリズムへの入射光はＳ偏光を扱っている。また、本実施の形態において色合成部プリズムのダイクロイックミラーを全て透過で使う緑色光について言えば、青反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも長波長よりに拠っており、赤反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも短波長よりに寄っていることから、先に述べたように青色光、赤色光がＳ偏光として色合成部で扱われた場合、緑色光はＰ偏光とした方がダイクロイックミラーの帯域を広く使えることから、有利であることは同業者で有れば周知の内容である。
【００５５】
本実施の形態において赤の光路と青の光路は入れ替え可能であることは同業者には周知である。
【００５６】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３の概略構成図である。光源部５０１、色分解光学系５０２、ライトバルブ部５０３、色合成光学系５０４、投写光学系５０５とからなる。光源部５０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源５０６と、光源５０６からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター５０７と光源から光を均一にライトバルブ上に導くためのインテグレータ光学系５０８とインテグレータ光学系５０８内に設けられた光源からのランダム偏光光を偏光方向の揃った偏光光とする偏光変換光学系５０９とからなる。詳細な説明は避けるがインテグレータ光学系５０８はライトバルブ開口部とおよそ相似形形状のマイクロレンズ集合体である第一レンズアレイ５１０と、前記第一レンズアレイ５１０と同形状の第２レンズアレイ５１１と、集光レンズ５１２とからなっている。これにより前記第一レンズアレイ５１０上のマイクロレンズの像をライトバルブ上に重畳することで均一な照明を可能にする。
【００５７】
さらに偏光変換光学系５０９は図６にあるよう平行四辺形の断面を持つプリズムの集合体であり入射光に対し斜めに設けられたその界面（接合面）には偏光方向を分離する偏光ビームスプリッタ膜５１４が施されている。ここでＰ偏光光は透過するがＳ偏光光は反射されるが再度となりの偏光ビームスプリッタ膜５１４に入射することで反射され前記プリズム出射面に部分的に設けられた偏光方向変換素子５１５（入射する光の偏光方向を９０度変換する。λ／２でも可）に入射し、これを透過することで出射光は全てＳ偏光光とするものである。このようにして光源部５０１から出射された光は偏光光となり色分解光学系５０２に至る。
【００５８】
まず青透過ダイクロイックミラー５１６に入射した光のうち、青光はここを透過し反射ミラー５１７で反射され、コンデンサーレンズ５１８を経て青用ライトバルブユニット５１９に至る。青透過ダイクロイックミラー５１６で反射された透過した緑光、赤光は赤反射ダイクロイックミラー５２０に入射し、このうち赤光はここで反射せしめられ、更に反射ミラー５２１で反射され、コンデンサーレンズ５２２を経て赤用ライトバルブユニット５２３に至る。緑光は赤反射ダイクロイックミラー５２０を透過し、反射ミラー５２４で反射され、コンデンサーレンズ５２５を経て緑用ライトバルブユニット５２６に至る。ライトバルブ部５０３は先に述べたように青用ライトバルブユニット５１９、赤用ライトバルブユニット５２３、緑用ライトバルブユニット５２６として各色光毎に配置されている。
【００５９】
このライトバルブ部５０３は図２にあるように入射側偏光板５２７と液晶パネル５２８と出射側偏光板５２９とからなっており、入射側偏光板５２７はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板５２７を透過した光は液晶パネル５２８に入射する。この液晶パネル５２８は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板５２９は入射側偏光板５２７と直交した方向の偏光特性を有する。
【００６０】
従って液晶パネル５２８が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板５２９の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル５２８が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板５２９の透過軸と直交するためここで吸収される。ここで出射側偏光板５２９は紙面に対して手前−奥方向に振動方向（透過軸）を持つ様に設定されている。このようにしてライトバルブ部５０３を透過した光は色合成光学系５０４に入射する。
【００６１】
色合成光学系５０４は頂角を３０度とした三角柱形状のプリズム５３０，５３１，５３２を３つ接合してなり、その接合面には赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４が施され、緑色光の入射面５３５にはλ／２位相差板５３６が備えられてなる。緑用ライトバルブユニット５２６から出射された光はλ／２位相差板５３６を透過することで偏光方向を９０度捻られ、赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４に対してＰ偏光の光となって、三角柱形状のプリズム５３０、５３１、５３２、赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４を透過後、出射面５３７を透過して投写光学系である投写レンズ５３８に入射する。
【００６２】
この投写レンズ５３８は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。赤用ライトバルブユニット５２３から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４に対してＳ偏光の光であり、三角柱形状のプリズム５３１を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３で反射された後、再度三角柱形状のプリズム５３１を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面５３４を透過し三角柱形状のプリズム５３２を透過し出射面５３７を透過して投写光学系である投写レンズ５３８に入射する。
【００６３】
青用ライトバルブユニット５１９から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４に対してＳ偏光の光となっており、三角柱形状のプリズム５３２に入射した光はプリズム側面で全反射され、再度三角柱形状のプリズム５３２を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面５３４で反射され、再々度三角柱形状のプリズム５３２を透過し出射面５３７より投写光学系である投写レンズ５３８に入射する。
【００６４】
このように本実施の形態２に依れば実施の形態１同様に色合成光学系はプリズムを接合することで形成されていることから強度上の問題や経時変化にも有利であり、コンバージェンス調整後もずれることなく高画質を維持できる。またガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（空気に対して２／３） 更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているので良好なピントを実現すると同時にクロスプリズムタイプにあった合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成でき均一性の良い画像を提供できる。
【００６５】
また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。色分解光学系もリレー光学系を伴っていないことから全体構成も小型化を実現しつつリレー光学系による画像反転による色ムラや、リレー光学系分のコストが削減できることは言うまでもない。
【００６６】
なお、本実施の形態において光源部から各ライトバルブまでの光路長は各色光とも等しく、投写レンズから各ライトバルブまでの光路長はおよそ等しく構成されており、特にここでは青透過ダイクロイックミラー５１６と反射ミラー５１７を結ぶ光軸と出射面５３７と反射ミラー５２４を結ぶ光軸がおよそ平行であり、装置の投写方向と直交した方向の装置の高さを抑える構成を取っており、光源から青透過ダイクロイックミラー５１６に至る主光線は４５度より大きな入射角を持って入射するように設定し色分解光学系での光路長を等しく設定している。
【００６７】
本実施の形態においてインテグレータ光学系、偏光変換光学系の一例を搭載した構成の説明を行ったが同等の機能を果たすもので有れば応用可能なことは言うまでもない。
【００６８】
先の説明においては偏光を用いた液晶パネルをライトバルブとしたが必ずしもこれに捕らわれるものではなく、偏光に依らず画像表示を行う画像表示素子を応用可能なことは言うまでもない。ただしここでは詳細な説明は避けるが、色合成プリズム内にダイクロイックミラーを設ける場合には緑をＰ偏光透過、青赤Ｓ偏光反射とした方が各色光の混色無く帯域設定可能なことからライトバルブは偏光を利用したものの方が望ましいとは言える。この際、光源には光源からのランダム偏光光を一方向の偏光方向をもつ偏光光として出射出来る偏光方向変換光学系を併用することで明るさ効率を上げることが本発明の実施の形態においても応用可能なことは言うまでもない。
【００６９】
本実施の形態において赤の光路と青の光路は入れ替え可能であることは同業者には周知である。
【００７０】
また本発明において均一性を重視するなら色合成光学系はテレセントリックな光学系にして構成することが望ましいことは明らかである。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように本発明の投写型画像表示装置では色合成部がプリズムブロックとなることからコンバージェンス調整後のずれに対して信頼性を確保出来、色合成光学系の反射面が一面で形成できることからフォーカス性能の良い、センター影や色ムラの発生無い画像を提供できるを抑えることが可能であり、同時に投写レンズのバックフォーカスを最小限とし投写レンズの小型化低コスト化をも可能にする。また色分解光学系がリレー光学系を必要としないことから色ムラに有利である。コスト面においても色合成プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、接合作業が容易なこと。色分解光学系がリレー光学系を必要としないことから有利であり低コスト化も同時に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の構成図
【図２】ライトバルブ部構成図
【図３】実施の形態２の構成図
【図４】実施の形態２の別の構成図
【図５】実施の形態３の構成図
【図６】実施の形態３の偏光変換光学系構成図
【図７】従来の投写型画像表示装置の概略構成図
【図８】従来の投写型画像表示装置の概略構成図
【符号の説明】
１００ 投写型画像表示装置
１０１、２０１、４０１、５０１ 光源部
１０２、２０２、４０２、５０２ 色分解光学系
１０３ リレー光学系
１０４、２０３、３０４、４０３、５０３ ライトバルブ部
１０５、２０４、３０５、４０４、５０４ 色合成光学系
１０６、２０５、３０６、４０５、５０５ 投写光学系
１０７、２０６、３０７、３１０、３１３、４０６、５０６ 光源
１０８、３０８、３１１、３１４、４０７、５０７ リフレクター
１０９、５１６ 青透過ダイクロイックミラー
１１０、１１７、１１９、２０９、２２２、４０９、４１３、４１６、４３２、 ４３４、４３５、５１７、５２１、５２４ 反射ミラー
１１１、１１４、１２０、２１０、２１３、２１５、３１６、３１８、３２０、 ４１０、４１４、４１７、５１８、５２２、５２５ コンデンサーレンズ
１１２、２１１、３１９、４１１、５１９ 青用ライトバルブユニット
１１３、２１２、４３１ 緑反射ダイクロイックミラー
１１５、２１４、４１８、５２６ 緑用ライトバルブユニット
１１６ 入射側レンズ
１１８ 中間レンズ
１２１、２１６、３１７、４１５、５２３ 赤用ライトバルブユニット
１２２、２１７、３２２、４１９、５２７ 入射側偏光板
１２３、２１８、３２３、４２０、５２８ 液晶パネル
１２４、２１９、３２４、４２１、５２９ 出射側偏光板
１２５、３２８、４２６、５３４ 青反射ダイクロイックミラー面
１２６、３２９、４２５、５３３ 赤反射ダイクロイックミラー面
１２７ 色合成プリズム
２０８、４０８ 青反射ダイクロイックミラー
２２１、３１２、４３３、５２０ 赤反射ダイクロイックミラー
２２３、３３３、４３０、５３８ 投写レンズ
３３０、４２７、５３５ 入射面
３３１、４２８、５３６ λ／２位相差板
３２５、３２６、３２７、４２２，４２３，４２４、５３０、５３１、５３２三角柱のプリズム
３３２、４２９、５３７ 出射面
３０１ 赤色光用光源部
３０２ 青色光用光源部
３０３ 緑色光用光源部
３０９ 赤透過ダイクロイックフィルター
３１２ 青透過ダイクロイックフィルター
３１５ 緑透過ダイクロイックフィルター
５０８ インテグレータ光学系
５１０ 第一レンズアレイ
５１１ 第２レンズアレイ
５１２ 集光レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は変調手段である液晶パネルを青、緑、赤の各色光毎に配し、表示画像を装置内で合成して投写することで拡大画像を得る３板式投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在透過型液晶ライトバルブを用いた投写型画像表示装置を中心にプロジェクター市場が急拡大しつつある。商品の流れは高輝度化と小型化に大別できる。特に小型化については従来主流であった液晶パネル有効開口部の対角長１．３インチのものから０．９インチ、将来は更に小型化が進むものと考えられる。有効開口部の小型化が進むと同時に透過型ではＢＭ（ブラックマトリックス）の微細化が進んでおり、開口率は従来のひとまわり大きいパネルと同程度に高開口率化を実現できるようになっている。従ってこのパネル上の表示画像を合成する色合成部にもより高精度化が要求されている。
【０００３】
次に液晶パネルを用いた従来の投写型画像表示装置の構造について述べる。青、緑、赤の各色光毎にパネルを配した３板式は色合成の特徴からクロスプリズム方式とミラー順次方式の２つがある。以下図７にクロスプリズム方式の構成による投写型画像表示装置と図８にミラー順次方式の構成による投写型画像表示装置の従来の概略基本構成を示したのでこれについて説明する。
【０００４】
図７はクロスプリズム方式の投写型画像表示装置１００を示す。光源部１０１、色分解光学系１０２、リレー光学系１０３、ライトバルブ部１０４、色合成光学系１０５、投写光学系１０６とからなる。光源部１０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源１０７と、光源１０７からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター１０８とからなる。光源部１０１からの光は色分解光学系１０２に入射する。まず青透過ダイクロイックミラー１０９に入射した光のうち、青光はここを透過し全反射ミラー１１０で反射され、コンデンサーレンズ１１１を経て青用ライトバルブユニット１１２に至る。青透過ダイクロイックミラー１０９で反射された緑光、赤光は緑反射ダイクロイックミラー１１３に入射し、このうち緑光はコンデンサーレンズ１１４を経て緑用ライトバルブユニット１１５に至る。赤光は緑反射ダイクロイックミラー１１３を透過し、リレー光学系１０１に入射する。
【０００５】
ここに入射し赤光は入射側レンズ１１６、全反射ミラー１１７、中間レンズ１１８、全反射ミラー１１９、コンデンサーレンズ１２０を経て赤用ライトバルブユニット１２１に至る。ライトバルブ部１０４は先に述べたように青用ライトバルブユニット１１２、緑用ライトバルブユニット１１５、赤用ライトバルブユニット１２１として各色光毎に配置されている。このライトバルブ部１０４は図２にあるように入射側偏光板１２２と液晶パネル１２３と出射側偏光板１２４とからなっており、入射側偏光板１２２はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板１２２を透過した光は液晶パネル１２３に入射する。この液晶パネル１２３は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。
【０００６】
ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板１２４は入射側偏光板１２２と直交した方向の偏光特性を有する。従って液晶パネル１２３が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板１２４の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル１２３が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板１２４の透過軸と直交するためここで吸収される。
【０００７】
このようにしてライトバルブ部１０４を透過した光は色合成光学系１０５に入射する。色合成光学系１０５は青反射ダイクロイックミラー面１２５と赤反射ダイクロイックミラー面１２６が直交して配されるように三角柱のプリズムを４個貼り合わせてなる色合成プリズム１２７であり、ここに入射した青光、赤光は反射されて投写光学系１０６に入射する。緑光は青反射ダイクロイックミラー面１２５と赤反射ダイクロイックミラー面１２６を透過して投写光学系１０６に入射する。このようにして投写光学系１０６で前記ライトバルブ部１０２上の画像が図にはないスクリーン上に拡大投写される。
【０００８】
次に図８にミラー順次方式の構成による投写型画像表示装置を示す。
【０００９】
光源部２０１、色分解光学系２０２、ライトバルブ部２０３、色合成光学系２０４、投写光学系２０５とからなる。光源部２０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源２０６と、光源２０６からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター２０７とからなる。光源部２０１からの光は色分解光学系２０２に至る。まず青反射ダイクロイックミラー２０８に入射した光のうち、青光はここで反射され更に反射ミラー２０９で反射され、コンデンサーレンズ２１０を経て青用ライトバルブユニット２１１に至る。
【００１０】
青反射ダイクロイックミラー２０８を透過した緑光、赤光は緑反射ダイクロイックミラー２１２に入射し、このうち緑光はコンデンサーレンズ２１３を経て緑用ライトバルブユニット２１４に至る。赤光は緑反射ダイクロイックミラー２１２を透過し、コンデンサーレンズ２１５を経て赤用ライトバルブユニット２１６に至る。ライトバルブ部２０３は先に述べたように青用ライトバルブユニット２１１、緑用ライトバルブユニット２１４、赤用ライトバルブユニット２１６として各色光毎に配置されている。
【００１１】
このライトバルブ部２０３は図２にあるように入射側偏光板２１７と液晶パネル２１８と出射側偏光板２１９とからなっており、入射側偏光板２１７はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板２１７を透過した光は液晶パネル２１８に入射する。この液晶パネル２１８は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板２１９は入射側偏光板２１７と直交した方向の偏光特性を有する。
【００１２】
従って液晶パネル２１８が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板２１９の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル２１８が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板２１９の透過軸と直交するためここで吸収される。
【００１３】
このようにしてライトバルブ部２０３を透過した光は色合成光学系２０４に入射する。色合成光学系２０４は緑反射ダイクロイックミラー２２０、赤反射ダイクロイックミラー２２１、全反射ミラー２２２とからなる。青用ライトバルブユニット２１１から出射された光は緑反射ダイクロイックミラー２２０、赤反射ダイクロイックミラー２２１を透過して投写光学系である投写レンズ２２３に入射する。この投写レンズ２２３は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。
【００１４】
緑用ライトバルブユニット２１４から出射された光は緑反射ダイクロイックミラー２２０で反射された後、赤反射ダイクロイックミラー２２１を透過して投写光学系である投写レンズ２２３に入射する。赤用ライトバルブユニット２１６から出射された光は全反射ミラー２２２、赤反射ダイクロイックミラー２２１で反射され、投写光学系である投写レンズ２２３に入射する。このようにして前記ライトバルブ部２０３上の画像が図にはないスクリーン上で色合成された拡大画像として得られる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に示した投写型画像表示装置は現在プレゼンテーション用に提供されている代表的な構成を示したものであり、以上の２構成それぞれの特徴を示す。
【００１６】
クロスプリズム方式で色合成を行う投写型画像表示装置は１）パネルから投写レンズまでの投写距離が短く出来るため短焦点化、投写レンズの小型化に有利。２）色合成部が小型に形成され、反射面がプリズムで形成されているので振動や衝撃に対して精度を確保しやすい。などの有利な点が有る反面１）４つのプリズムの合わせ精度が確保できなと投写画像中央に縦線が出る。２）ひとつの反射面を形成する２つのプリズムのダイクロイックミラー面分光特性が同一でないと色ムラが生じる。３）ひとつの反射面を形成する２つのプリズムのダイクロイックミラー面がねじれ、ずれなく同一面を形成していないと投写画像に２重像などピントのボケが生じる。４）色分解光学系にリレー光学系が必要になることから装置が大きくなる、リレー光学系により光源像がリレー光学系を介さない２色に対して上下左右反転する事から光源あるいは照明光学系に輝度ムラがあった場合に色ムラとなって現れるため画質を大きく損ねる。などの問題があり、特に１）、３）、４）については先に述べたパネルの高精細化と共にその加工精度が更に高く要求される。
【００１７】
ミラー順次方式で色合成を行う投写型画像表示装置は１）比較コストが安く、大型のパネルにも対応しやすい。２）軽量に出来る。３）リレー光学系がないので比較的小型に、かつ光源部の輝度ムラの影響が投写画像として検知されにくい。などの有利な点が有る反面１）斜めに配置された平行平面板を透過するため、非点隔差が生じ縦線と横線でピントの位置がずれて投写像がぼける。２）薄いガラス板上に形成されるダイクロイックミラー面の平面度が得られにくく。投写像がぼける。３）色合成部が大きくなることから機構的強度が得られにくく、振動など外力に対して弱く、コンバージェンス精度を維持しにくい。などの問題があり、特に後者の問題点１）２）についてはパネルの小型化、高精細化が進む中で致命的問題であり、クロスプリズム方式も解決すべき課題は或るものの現在この方式が主流を占めている。
【００１８】
以上の状況を鑑み、パネルの小型化、高精細化への移行に上記従来の光学系の持つ問題点を克服できる新光学系を開発することが課題となっている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明による投写型画像表示装置は、白色光を発する光源部と、前記光源部からの白色光を第１、第２および第３の色光に分光する色分解光学系と、前記色分解光学系を経た各前記第１、第２および第３の色光を調光できる長方形の有効開口部を備えたライトバルブ部と、前記ライトバルブ部で調光された前記第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系と、前記ライトバルブ部上の画像を拡大投写可能に投写レンズを備えており、前記色合成光学系はおよそ３０度の頂角を備えた三角柱形状の第１、第２および第３のプリズムを各頂角が隣接するよう２つの接合面で接合されてなり、前記接合面には前記頂角を成す面であり色選択手段である第１および第２のダイクロイックミラー面が形成されており、また前記第１、第２および第３のプリズムの頂角と対向する面はそれぞれ前記第１、第２および第３の色光の入射面であり、前記ライトバルブ部は、前記第１、第２および第３の色光にそれぞれ対応する第１、第２および第３のライトバルブを備え、前記色分解光学系は、第１および第２のダイクロックミラーと、第１、第２および第３の反射ミラーとを備え、前記光源部から前記第１、第２および第３のライトバルブまでの前記第１、第２および第３の色光の光路長が等しくなるように構成されていることを特徴としてなる。
さらに、本発明による投写型画像表示装置は、前記光源部からの白色光は前記第１のダイクロックミラーに入射され前記第１および第２の色光と前記第３の色光とに分光され、前記第１および第２の色光は前記第１のダイクロックミラーに入射して第１の色光と第２の色光とに分光され、分光された第１の色光は、前記第１の反射ミラーで反射され、前記第１のライトバルブに入射し、分光された第２の色光は、前記第２の反射ミラーで反射され、前記第２のライトバルブに入射し、分光された第３の色光は、前記第３の反射ミラーで反射され、前記第３のライトバルブに入射することを特徴としてなる。
【００２０】
さらに、本発明による投写型画像表示装置において、前記第１の色光は、前記第１のプリズム上の第１の入射面から入射し、前記第１のプリズム、前記第１のダイクロイックミラー面、前記第２のプリズム、前記第２のダイクロイックミラー面、前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取り、前記第２の色光は、前記第２のプリズム上の第２の入射面から入射し、前記第２のプリズムを透過後、前記第１のダイクロイックミラー面で反射せしめられ再度前記第２のプリズムを透過後、前記第２のダイクロイックミラー面、前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取り、前記第３の色光は、前記第３のプリズム上の第３の入射面から入射し、前記第３のプリズムを透過後、前記第３プリズムの頂角を成す面のうち接合面でない面において反射せしめられ再度前記第３のプリズムを透過後前記第２のダイクロイックミラー面で反射せしめられ再々度前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取ることを特徴として構成出来る。
【００２１】
前記第２、第３の入射面から入射する前記第２および第３の色光は前記第１、第２のダイクロイックミラー面に対してＳ偏光の偏光光であることを特徴とすることが望ましく、また前記第１の入射面から入射する前記第１の色光は前記第１、第２のダイクロイックミラー面に対してＰ偏光の偏光光であることを特徴とすることが望ましい。
【００２２】
前記第１の入射面から入射する前記第１の色光は緑光であり、色合成光学系のダイクロイックミラーは赤反射と青反射の各特性を有していることが望ましい。
【００２３】
前記第１、第２および第３のプリズムは同形状であることを特徴として構成することが可能である。
【００２４】
特に色分解光学系において前記第１のダイクロイックミラーと第１の色光用ライトバルブ部近傍の前記第１の反射ミラーを結ぶ光軸と、第１の色光用ライトバルブ部近傍の前記第１の反射ミラーと色合成光学系出射面を結ぶ光軸とがおよそ直交する関係にあり、第１のダイクロイックミラーに入射する主光線の入射角は４５度よりも小さいことを特徴として構成する、あるいは色分解光学系において前記第１のダイクロイックミラーと第３の色光用ライトバルブ部近傍の前記第３の反射ミラーを結ぶ光軸と、第１の色光用ライトバルブ部近傍の前記第１の反射ミラーと色合成光学系出射面を結ぶ光軸とがおよそ平行の関係にあり、第１のダイクロイックミラーに入射する主光線の入射角は４５度よりも大きいことを特徴として構成することが出来る。
【００２５】
またライトバルブ部は少なくとも偏光子である入射側偏光板と、透過型液晶パネルと、検光子である出射側偏光板から構成されていることを特徴として構成できる。
【００２６】
さらに、３０度の頂角を備えた三角柱形状のプリズムの底面形状は直角三角形であることを特徴に構成することで接合後、最も簡単な形状となり望ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に依れば色合成光学系は略同形状のプリズムを接合することで形成されており、強度上の問題や経時変化にも有利であり、ガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（従来例のクロスプリズムタイプよりは長くなるが、ミラー順次方式よりも圧倒的に短い）
更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているのでクロスプリズムタイプよりもピントに与えるデメリットはなく、また合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成できる。また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。
【００２８】
色分解光学系もリレー光学系を必要としない構成が可能なことから、全体構成も小型化を実現しつつリレー光学系による画像反転による色ムラや、リレー光学系分のコストが削減できることは言うまでもない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１の概略構成図である。赤色光用光源部３０１、青色光用光源部３０２、緑色光用光源部３０３、ライトバルブ部３０４、色合成光学系３０５、投写光学系３０６とからなる。赤色光用光源部３０１は電極間の放電によりアークを形成し白色のランダム偏光光を発生する光源３０７と、光源３０７からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター３０８と、その開口前面に配置された赤透過ダイクロイックフィルター３０９とからなる。
【００３０】
青色光用光源部３０２は電極間の放電によりアークを形成し白色のランダム偏光光を発生する光源３１０と、光源３１０からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター３１１と、その開口前面に配置された青透過ダイクロイックフィルター３１２とからなる。緑色光用光源部３０３は電極間の放電によりアークを形成し白色のランダム偏光光を発生する光源３１３と、光源３１３からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター３１４と、その開口前面に配置された緑透過ダイクロイックフィルター３１５とからなる。
【００３１】
赤色光用光源部３０１からの赤色光は、コンデンサーレンズ３１６を経て赤用ライトバルブユニット３１７に至る。青色光用光源部３０２からの青色光は、コンデンサーレンズ３１８を経て青用ライトバルブユニット３１９に至る。緑色光用光源部３０３からの緑色光は、コンデンサーレンズ３２０を経て緑用ライトバルブユニット３２１に至る。ライトバルブ部３０３は先に述べたように赤用ライトバルブユニット３１７、青用ライトバルブユニット３１９、緑用ライトバルブユニット３２１として各色光毎に配置されている。このライトバルブ部３０３は図２にあるように入射側偏光板３２２と液晶パネル３２３と出射側偏光板３２４とからなっており、入射側偏光板３２２はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。
【００３２】
入射側偏光板３２２を透過した光は液晶パネル３２３に入射する。この液晶パネル３２３は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板３２４は入射側偏光板３２２と直交した方向の偏光特性を有する。従って液晶パネル３２３が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板３２４の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル３２３が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板３２４の透過軸と直交するためここで吸収される。ここで出射側偏光板３２１は紙面に対して手前−奥方向に振動方向（透過軸）を持つ用に設定されている。このようにしてライトバルブ部３０３を透過した光は色合成光学系３０４に入射する。
【００３３】
色合成光学系３０４は頂角を３０度とした三角柱形状のプリズム３２５，３２６，３２７を３つ接合してなり、その接合面には青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９が施され、緑色光の入射面３３０にはλ／２位相差板３３１が備えられてなる。緑用ライトバルブユニット３２１から出射された光はλ／２位相差板３３１を透過することで偏光方向を９０度捻られ、青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９に対してＰ偏光の光となって、三角柱形状のプリズム３２５、３２６、３２７、青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９を透過後、出射面３３２を透過して投写光学系である投写レンズ３３３に入射する。
【００３４】
この投写レンズ３３３は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。青用ライトバルブユニット３１９から出射された光は青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９に対してＳ偏光の光であり、三角柱形状のプリズム３２６を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面３２８で反射された後、再度三角柱形状のプリズム３２６を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９を透過し三角柱形状のプリズム３２７を透過し出射面３３２を透過して投写光学系である投写レンズ３３３に入射する。
【００３５】
赤用ライトバルブユニット３１７から出射された光は青反射ダイクロイックミラーコート面３２８、赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９に対してＳ偏光の光となっており、三角柱形状のプリズム３２７に入射した光はプリズム側面で全反射され、再度三角柱形状のプリズム３２７を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面３２９で反射され、再々度三角柱形状のプリズム３２７を透過し出射面３３２を透過して投写光学系である投写レンズ３３３に入射する。
【００３６】
このように本実施の形態に依れば色合成光学系はプリズムを接合することで形成されていることから強度上の問題や経時変化にも有利であり、コンバージェンス調整後もずれることなく高画質を維持できる。またガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（空気に対して２／３）
更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているので良好なピントを実現すると同時にクロスプリズムタイプにあった合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成でき均一性の良い画像を提供できる。また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。
【００３７】
なお、本実施の形態において投写レンズから各ライトバルブまでの光路長はおよそ等しく構成されている。
【００３８】
本実施の形態において機構面について言うと、各色光による投写画像の位置を合わせるコンバー調整において言えば一般に一色のライトバルブは固定しておき、他の２色のライトバルブに調整裕度を持たせるのが一般的であり、ここでは中央の青色光用のライトバルブを固定とする構成を取るのが調整のし易さや他の色光用のライトバルブ間の調整裕度を最小に出来ることから望ましいと思われる。
【００３９】
先の説明においては偏光を用いた液晶パネルをライトバルブとしたが必ずしもこれに捕らわれるものではなく、偏光に依らず画像表示を行う画像表示素子を応用可能なことは言うまでもない。ただし後に述べるが、色合成プリズム内にダイクロイックミラーを設ける場合には緑をＰ偏光透過、青赤Ｓ偏光反射とした方が各色光の混色無く帯域設定可能なことからライトバルブは偏光を利用したものの方が望ましいとは言える。この際、光源には光源からのランダム偏光光を一方向の偏光方向をもつ偏光光として出射出来る偏光方向変換光学系を併用することで明るさ効率を上げることが本発明の実施の形態においても応用可能なことは言うまでもない。
【００４０】
色合成部のプリズムにおいて色選択手段であるダイクロイックミラーの反射率を任意の色光の全帯域で反射率を確保するにはＰ偏光成分の光を入射させるのではなく、Ｓ偏光光であることが望ましい。同じ様な理由により現在商品化されている色合成にプリズムを使うタイプの色合成プリズムへの入射光はＳ偏光を扱っている。また、本実施の形態において色合成部プリズムのダイクロイックミラーを全て透過で使う緑色光について言えば、青反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも長波長よりに拠っており、赤反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも短波長よりに寄っていることから、先に述べたように青色光、赤色光がＳ偏光として色合成部で扱われた場合、緑色光はＰ偏光とした方がダイクロイックミラーの帯域を広く使えることから、有利であることは同業者で有れば周知の内容である。
【００４１】
本実施の形態において赤の光路と青の光路は入れ替え可能であることは同業者には周知である。
【００４２】
上記説明において光源は白色放電管からの光をフィルターで色選択していたが、必ずしもこれに捕らわれるものではなく、放電管でも各色光に適切なスペクトル分布を持つもので有れば色選択手段は必要ないことは明らかであり、また光源方式もレーザーやＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等放電管でない場合でも応用可能なことは言うまでもない。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２の概略構成図である。光源部４０１、色分解光学系４０２、ライトバルブ部４０３、色合成光学系４０４、投写光学系４０５とからなる。光源部４０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源４０６と、光源４０６からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター４０７とからなる。光源部４０１からの光は色分解光学系４０２に至る。まず青反射ダイクロイックミラー４０８に入射した光のうち、青光はここで反射され更に反射ミラー４０９で反射され、コンデンサーレンズ４１０を経て青用ライトバルブユニット４１１に至る。青反射ダイクロイックミラー４０８を透過した緑光、赤光は赤反射ダイクロイックミラー４１２に入射し、このうち赤光はここで反射せしめられ、更に反射ミラー４１３で反射され、コンデンサーレンズ４１４を経て赤用ライトバルブユニット４１５に至る。緑光は赤反射ダイクロイックミラー４１２を透過し、反射ミラー４１６で反射され、コンデンサーレンズ４１７を経て緑用ライトバルブユニット４１８に至る。ライトバルブ部４０３は先に述べたように青用ライトバルブユニット４１１、赤用ライトバルブユニット４１５、緑用ライトバルブユニット４１８として各色光毎に配置されている。
【００４４】
このライトバルブ部４０３は図２にあるように入射側偏光板４１９と液晶パネル４２０と出射側偏光板４２１とからなっており、入射側偏光板４１９はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板４１９を透過した光は液晶パネル４２０に入射する。この液晶パネル４２０は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板４２１は入射側偏光板４１９と直交した方向の偏光特性を有する。
【００４５】
従って液晶パネル４２０が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板４２１の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル４２０が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板４２１の透過軸と直交するためここで吸収される。ここで出射側偏光板４２１は紙面に対して手前−奥方向に振動方向（透過軸）を持つ用に設定されている。このようにしてライトバルブ部４０３を透過した光は色合成光学系４０４に入射する。
【００４６】
色合成光学系４０４は頂角を３０度とした三角柱形状のプリズム４２２，４２３，４２４を３つ接合してなり、その接合面には赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６が施され、緑色光の入射面４２７にはλ／２位相差板４２８が備えられてなる。緑用ライトバルブユニット４１８から出射された光はλ／２位相差板４２８を透過することで偏光方向を９０度捻られ、赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６に対してＰ偏光の光となって、三角柱形状のプリズム４２２、４２３、４２４、赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６を透過後、出射面４２９を透過して投写光学系である投写レンズ４３０に入射する。
【００４７】
この投写レンズ４３０は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。赤用ライトバルブユニット４１５から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６に対してＳ偏光の光であり、三角柱形状のプリズム４２３を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５で反射された後、再度三角柱形状のプリズム４２３を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面４２６を透過し三角柱形状のプリズム４２４を透過し出射面４２９を透過して投写光学系である投写レンズ４３０に入射する。
【００４８】
青用ライトバルブユニット４１１から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面４２５、青反射ダイクロイックミラーコート面４２６に対してＳ偏光の光となっており、三角柱形状のプリズム４２４に入射した光はプリズム側面で全反射され、再度三角柱形状のプリズム４２４を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面４２６で反射され、再々度三角柱形状のプリズム４２４を透過し出射面４２９を透過して投写光学系である投写レンズ４３０に入射する。
【００４９】
このように本実施の形態に依れば色合成光学系はプリズムを接合することで形成されていることから強度上の問題や経時変化にも有利であり、コンバージェンス調整後もずれることなく高画質を維持できる。またガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（空気に対して２／３）
更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているので良好なピントを実現すると同時にクロスプリズムタイプにあった合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成でき均一性の良い画像を提供できる。また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。色分解光学系もリレー光学系を伴っていないことから全体構成も小型化を実現しつつリレー光学系による画像反転による色ムラや、リレー光学系分のコストが削減できることは言うまでもない。
【００５０】
なお、本実施の形態において光源部から各ライトバルブまでの光路長は各色光とも等しく、投写レンズから各ライトバルブまでの光路長はおよそ等しく構成されており、特にここでは青反射ダイクロイックミラー４０８と反射ミラー４１６を結ぶ光軸と出射面４２９と反射ミラー４１６を結ぶ光軸がおよそ直交して、装置の投写方向の奥行きを抑える構成を取っており、光源から青反射ダイクロイックミラー４０８に至る主光線は４５度よりも小さな入射角を持って入射するように設定し色分解光学系での光路長を等しく設定している。
【００５１】
ただし、図４のように青反射ダイクロイックミラー４０８と反射ミラー４１６を結ぶ光軸と出射面４２９と反射ミラー４１６を結ぶ光軸がおよそ直交しない関係にあり、実施の形態３にあるように青反射ダイクロイックミラー４０８と反射ミラー４０９を結ぶ光軸と出射面４２９と反射ミラー４１６を結ぶ光軸が直交しない関係ではない場合にも光源から青反射ダイクロイックミラー４０８に至る主光線は４５度よりも小さな入射角を持って入射するように構成される。
【００５２】
本実施の形態において機構面について言うと、各色光による投写画像の位置を合わせるコンバー調整において言えば一般に一色のライトバルブは固定しておき、他の２色のライトバルブに調整裕度を持たせるが、ここでは中央の赤色光用のライトバルブを固定とする構成を取るのが調整のし易さや他の色光用のライトバルブ間の調整裕度を最小に出来ることから望ましいと思われる。
【００５３】
先の説明においては偏光を用いた液晶パネルをライトバルブとしたが必ずしもこれに捕らわれるものではなく、偏光に依らず画像表示を行う画像表示素子を応用可能なことは言うまでもない。ただし説明は後述するが、色合成プリズム内にダイクロイックミラーを設ける場合には緑をＰ偏光透過、青赤Ｓ偏光反射とした方が各色光の混色無く帯域設定可能なことからライトバルブは偏光を利用したものの方が望ましいとは言える。この際、光源には光源からのランダム偏光光を一方向の偏光方向をもつ偏光光として出射出来る偏光方向変換光学系を併用することで明るさ効率を上げることが本発明の実施の形態においても応用可能なことは言うまでもない。
【００５４】
実施の形態１同様に色合成部のプリズムにおいて色選択手段であるダイクロイックミラーの反射率を任意の色光の全帯域で反射率を確保するにはＰ偏光成分の光を入射させるのではなく、Ｓ偏光光であることが望ましい。同じ様な理由により現在商品化されている色合成にプリズムを使うタイプの色合成プリズムへの入射光はＳ偏光を扱っている。また、本実施の形態において色合成部プリズムのダイクロイックミラーを全て透過で使う緑色光について言えば、青反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも長波長よりに拠っており、赤反射ダイクロイックミラーにおいてＳ偏光光に対する分光特性がＰ偏光光に対するそれよりも短波長よりに寄っていることから、先に述べたように青色光、赤色光がＳ偏光として色合成部で扱われた場合、緑色光はＰ偏光とした方がダイクロイックミラーの帯域を広く使えることから、有利であることは同業者で有れば周知の内容である。
【００５５】
本実施の形態において赤の光路と青の光路は入れ替え可能であることは同業者には周知である。
【００５６】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３の概略構成図である。光源部５０１、色分解光学系５０２、ライトバルブ部５０３、色合成光学系５０４、投写光学系５０５とからなる。光源部５０１は電極間の放電によりアークを形成しランダム偏光光を発生する光源５０６と、光源５０６からの光をその回転対称軸上の一方向に反射するリフレクター５０７と光源から光を均一にライトバルブ上に導くためのインテグレータ光学系５０８とインテグレータ光学系５０８内に設けられた光源からのランダム偏光光を偏光方向の揃った偏光光とする偏光変換光学系５０９とからなる。詳細な説明は避けるがインテグレータ光学系５０８はライトバルブ開口部とおよそ相似形形状のマイクロレンズ集合体である第一レンズアレイ５１０と、前記第一レンズアレイ５１０と同形状の第２レンズアレイ５１１と、集光レンズ５１２とからなっている。これにより前記第一レンズアレイ５１０上のマイクロレンズの像をライトバルブ上に重畳することで均一な照明を可能にする。
【００５７】
さらに偏光変換光学系５０９は図６にあるよう平行四辺形の断面を持つプリズムの集合体であり入射光に対し斜めに設けられたその界面（接合面）には偏光方向を分離する偏光ビームスプリッタ膜５１４が施されている。ここでＰ偏光光は透過するがＳ偏光光は反射されるが再度となりの偏光ビームスプリッタ膜５１４に入射することで反射され前記プリズム出射面に部分的に設けられた偏光方向変換素子５１５（入射する光の偏光方向を９０度変換する。λ／２でも可）に入射し、これを透過することで出射光は全てＳ偏光光とするものである。このようにして光源部５０１から出射された光は偏光光となり色分解光学系５０２に至る。
【００５８】
まず青透過ダイクロイックミラー５１６に入射した光のうち、青光はここを透過し反射ミラー５１７で反射され、コンデンサーレンズ５１８を経て青用ライトバルブユニット５１９に至る。青透過ダイクロイックミラー５１６で反射された透過した緑光、赤光は赤反射ダイクロイックミラー５２０に入射し、このうち赤光はここで反射せしめられ、更に反射ミラー５２１で反射され、コンデンサーレンズ５２２を経て赤用ライトバルブユニット５２３に至る。緑光は赤反射ダイクロイックミラー５２０を透過し、反射ミラー５２４で反射され、コンデンサーレンズ５２５を経て緑用ライトバルブユニット５２６に至る。ライトバルブ部５０３は先に述べたように青用ライトバルブユニット５１９、赤用ライトバルブユニット５２３、緑用ライトバルブユニット５２６として各色光毎に配置されている。
【００５９】
このライトバルブ部５０３は図２にあるように入射側偏光板５２７と液晶パネル５２８と出射側偏光板５２９とからなっており、入射側偏光板５２７はたとえば図２で示す矩形の外形形状の短手方向の偏光方向の光を透過し、これに直交する偏光方向の光を吸収するように設定されているとする。入射側偏光板５２７を透過した光は液晶パネル５２８に入射する。この液晶パネル５２８は外部信号により多数の各画素開口毎に透過光の偏光方向を変えることが出来る。ここでは各画素を駆動しない場合には偏光方向が９０度回転せしめられ、駆動した場合には偏光方向の変化無く透過するものとする。出射側偏光板５２９は入射側偏光板５２７と直交した方向の偏光特性を有する。
【００６０】
従って液晶パネル５２８が偏光方向を９０度変えて透過した画素部の光の偏光方向は出射側偏光板５２９の透過軸と一致するためここを透過する。一方液晶パネル５２８が偏光方向を変えずに透過した画素部の偏光方向の光は出射側偏光板５２９の透過軸と直交するためここで吸収される。ここで出射側偏光板５２９は紙面に対して手前−奥方向に振動方向（透過軸）を持つ様に設定されている。このようにしてライトバルブ部５０３を透過した光は色合成光学系５０４に入射する。
【００６１】
色合成光学系５０４は頂角を３０度とした三角柱形状のプリズム５３０，５３１，５３２を３つ接合してなり、その接合面には赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４が施され、緑色光の入射面５３５にはλ／２位相差板５３６が備えられてなる。緑用ライトバルブユニット５２６から出射された光はλ／２位相差板５３６を透過することで偏光方向を９０度捻られ、赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４に対してＰ偏光の光となって、三角柱形状のプリズム５３０、５３１、５３２、赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４を透過後、出射面５３７を透過して投写光学系である投写レンズ５３８に入射する。
【００６２】
この投写レンズ５３８は各ライトバルブ上の画像を図にはないスクリーン上に拡大投写可能に設定されているものである。赤用ライトバルブユニット５２３から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４に対してＳ偏光の光であり、三角柱形状のプリズム５３１を透過後赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３で反射された後、再度三角柱形状のプリズム５３１を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面５３４を透過し三角柱形状のプリズム５３２を透過し出射面５３７を透過して投写光学系である投写レンズ５３８に入射する。
【００６３】
青用ライトバルブユニット５１９から出射された光は赤反射ダイクロイックミラーコート面５３３、青反射ダイクロイックミラーコート面５３４に対してＳ偏光の光となっており、三角柱形状のプリズム５３２に入射した光はプリズム側面で全反射され、再度三角柱形状のプリズム５３２を透過後青反射ダイクロイックミラーコート面５３４で反射され、再々度三角柱形状のプリズム５３２を透過し出射面５３７より投写光学系である投写レンズ５３８に入射する。
【００６４】
このように本実施の形態２に依れば実施の形態１同様に色合成光学系はプリズムを接合することで形成されていることから強度上の問題や経時変化にも有利であり、コンバージェンス調整後もずれることなく高画質を維持できる。またガラスで光路が充填されていることから光路長を比較的短く形成できる。（空気に対して２／３） 更に色合成光学系の反射面は全て一つの面からなっているので良好なピントを実現すると同時にクロスプリズムタイプにあった合わせ面の影や反射面を形成する２つの面の分光特性の差によ色ムラの発生無く構成でき均一性の良い画像を提供できる。
【００６５】
また、プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、先に述べた面の合わせ作業がないことからコスト的にも従来のクロスプリズムタイプより有利である。色分解光学系もリレー光学系を伴っていないことから全体構成も小型化を実現しつつリレー光学系による画像反転による色ムラや、リレー光学系分のコストが削減できることは言うまでもない。
【００６６】
なお、本実施の形態において光源部から各ライトバルブまでの光路長は各色光とも等しく、投写レンズから各ライトバルブまでの光路長はおよそ等しく構成されており、特にここでは青透過ダイクロイックミラー５１６と反射ミラー５１７を結ぶ光軸と出射面５３７と反射ミラー５２４を結ぶ光軸がおよそ平行であり、装置の投写方向と直交した方向の装置の高さを抑える構成を取っており、光源から青透過ダイクロイックミラー５１６に至る主光線は４５度より大きな入射角を持って入射するように設定し色分解光学系での光路長を等しく設定している。
【００６７】
本実施の形態においてインテグレータ光学系、偏光変換光学系の一例を搭載した構成の説明を行ったが同等の機能を果たすもので有れば応用可能なことは言うまでもない。
【００６８】
先の説明においては偏光を用いた液晶パネルをライトバルブとしたが必ずしもこれに捕らわれるものではなく、偏光に依らず画像表示を行う画像表示素子を応用可能なことは言うまでもない。ただしここでは詳細な説明は避けるが、色合成プリズム内にダイクロイックミラーを設ける場合には緑をＰ偏光透過、青赤Ｓ偏光反射とした方が各色光の混色無く帯域設定可能なことからライトバルブは偏光を利用したものの方が望ましいとは言える。この際、光源には光源からのランダム偏光光を一方向の偏光方向をもつ偏光光として出射出来る偏光方向変換光学系を併用することで明るさ効率を上げることが本発明の実施の形態においても応用可能なことは言うまでもない。
【００６９】
本実施の形態において赤の光路と青の光路は入れ替え可能であることは同業者には周知である。
【００７０】
また本発明において均一性を重視するなら色合成光学系はテレセントリックな光学系にして構成することが望ましいことは明らかである。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように本発明の投写型画像表示装置では色合成部がプリズムブロックとなることからコンバージェンス調整後のずれに対して信頼性を確保出来、色合成光学系の反射面が一面で形成できることからフォーカス性能の良い、センター影や色ムラの発生無い画像を提供できるを抑えることが可能であり、同時に投写レンズのバックフォーカスを最小限とし投写レンズの小型化低コスト化をも可能にする。また色分解光学系がリレー光学系を必要としないことから色ムラに有利である。コスト面においても色合成プリズム形状は３つとも基本的には同形状で構成可能なことや、接合作業が容易なこと。色分解光学系がリレー光学系を必要としないことから有利であり低コスト化も同時に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の構成図
【図２】ライトバルブ部構成図
【図３】実施の形態２の構成図
【図４】実施の形態２の別の構成図
【図５】実施の形態３の構成図
【図６】実施の形態３の偏光変換光学系構成図
【図７】従来の投写型画像表示装置の概略構成図
【図８】従来の投写型画像表示装置の概略構成図
【符号の説明】
１００ 投写型画像表示装置
１０１、２０１、４０１、５０１ 光源部
１０２、２０２、４０２、５０２ 色分解光学系
１０３ リレー光学系
１０４、２０３、３０４、４０３、５０３ ライトバルブ部
１０５、２０４、３０５、４０４、５０４ 色合成光学系
１０６、２０５、３０６、４０５、５０５ 投写光学系
１０７、２０６、３０７、３１０、３１３、４０６、５０６ 光源
１０８、３０８、３１１、３１４、４０７、５０７ リフレクター
１０９、５１６ 青透過ダイクロイックミラー
１１０、１１７、１１９、２０９、２２２、４０９、４１３、４１６、４３２、 ４３４、４３５、５１７、５２１、５２４ 反射ミラー
１１１、１１４、１２０、２１０、２１３、２１５、３１６、３１８、３２０、 ４１０、４１４、４１７、５１８、５２２、５２５ コンデンサーレンズ
１１２、２１１、３１９、４１１、５１９ 青用ライトバルブユニット
１１３、２１２、４３１ 緑反射ダイクロイックミラー
１１５、２１４、４１８、５２６ 緑用ライトバルブユニット
１１６ 入射側レンズ
１１８ 中間レンズ
１２１、２１６、３１７、４１５、５２３ 赤用ライトバルブユニット
１２２、２１７、３２２、４１９、５２７ 入射側偏光板
１２３、２１８、３２３、４２０、５２８ 液晶パネル
１２４、２１９、３２４、４２１、５２９ 出射側偏光板
１２５、３２８、４２６、５３４ 青反射ダイクロイックミラー面
１２６、３２９、４２５、５３３ 赤反射ダイクロイックミラー面
１２７ 色合成プリズム
２０８、４０８ 青反射ダイクロイックミラー
２２１、３１２、４３３、５２０ 赤反射ダイクロイックミラー
２２３、３３３、４３０、５３８ 投写レンズ
３３０、４２７、５３５ 入射面
３３１、４２８、５３６ λ／２位相差板
３２５、３２６、３２７、４２２，４２３，４２４、５３０、５３１、５３２三角柱のプリズム
３３２、４２９、５３７ 出射面
３０１ 赤色光用光源部
３０２ 青色光用光源部
３０３ 緑色光用光源部
３０９ 赤透過ダイクロイックフィルター
３１２ 青透過ダイクロイックフィルター
３１５ 緑透過ダイクロイックフィルター
５０８ インテグレータ光学系
５１０ 第一レンズアレイ
５１１ 第２レンズアレイ
５１２ 集光レンズ
Claims (12)
- 白色光を発する光源部と、前記光源部からの白色光を第１、第２および第３の色光に分光する色分解光学系と、前記色分解光学系を経た前記第１、第２および第３の色光を調光できるライトバルブ部と、前記ライトバルブ部で調光された前記第１、第２および第３の色光を合成する色合成光学系と、前記ライトバルブ部上の画像を拡大投写可能な投写レンズを備えた投写型画像表示装置であって、
前記色合成光学系はおよそ３０度の頂角を備えた三角柱形状の第１、第２および第３のプリズムを各頂角が隣接するよう２つの面で接合されてなり、前記接合面には前記頂角を成す面であり色選択手段である第１および第２のダイクロイックミラー面が形成されており、また前記第１、第２および第３のプリズムの頂角と対向する面はそれぞれ前記第１、第２および第３の色光の入射面であり、
前記ライトバルブ部は、前記第１、第２および第３の色光にそれぞれ対応する第１、第２および第３のライトバルブを備え、
前記色分解光学系は、第１および第２のダイクロックミラーと、第１、第２および第３の反射ミラーとを備え、前記光源部から前記第１、第２および第３のライトバルブまでの前記第１、第２および第３の色光の光路長が等しくなるように構成されていることを特徴とする投写型画像表示装置。 - 前記光源部からの白色光は前記第１のダイクロックミラーに入射され前記第１および第２の色光と前記第３の色光とに分光され、前記第１および第２の色光は前記第１のダイクロックミラーに入射して第１の色光と第２の色光とに分光され、
分光された第１の色光は、前記第１の反射ミラーで反射され、前記第１のライトバルブに入射し、
分光された第２の色光は、前記第２の反射ミラーで反射され、前記第２のライトバルブに入射し、
分光された第３の色光は、前記第３の反射ミラーで反射され、前記第３のライトバルブに入射することを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。 - 前記第１の色光は、前記第１のプリズム上の第１の入射面から入射し、前記第１のプリズム、前記第１のダイクロイックミラー面、前記第２のプリズム、前記第２のダイクロイックミラー面、前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取り、
前記第２の色光は、前記第２のプリズム上の第２の入射面から入射し、前記第２のプリズムを透過後、前記第１のダイクロイックミラー面で反射せしめられ再度前記第２のプリズムを透過後、前記第２のダイクロイックミラー面、前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取り、
前記第３の色光は、前記第３のプリズム上の第３の入射面から入射し、前記第３のプリズムを透過後、前記第３プリズムの頂角を成す面のうち接合面でない面において反射せしめられ再度前記第３のプリズムを透過後前記第２のダイクロイックミラー面で反射せしめられ再々度前記第３のプリズムを透過して、前記第３のプリズム上の出射面に至る光路を取ることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。 - 前記第２、第３の入射面から入射する前記第２および第３の色光は前記第１、第２のダイクロイックミラー面に対してＳ偏光の偏光光であることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。
- 前記第１の入射面から入射する前記第１の色光は前記第１、第２のダイクロイックミラー面に対してＰ偏光の偏光光であることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。
- 前記第１の色光は緑光であることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。
- 前記第１、第２および第３のプリズムは同形状であることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。
- 前記色分解光学系において前記第１のダイクロイックミラーと前記第１ の反射ミラーを結ぶ光軸と、前記第１の反射ミラーと色合成光学系出射面を結ぶ光軸とがおよそ直交する関係にあり、前記第１のダイクロイックミラーに入射する主光線の入射角は４５度よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の投写型画像表示装置。
- 前記色分解光学系において前記第１のダイクロイックミラーと前記第３の反射ミラーを結ぶ光軸と、前記第１の反射ミラーと色合成光学系出射面を結ぶ光軸とがおよそ平行の関係にあり、前記第１のダイクロイックミラーに入射する主光線の入射角は４５度よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の投写型画像表示装置。
- 前記光源部からの白色光は偏光方向の揃った偏光光であることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。
- ライトバルブ部は少なくとも偏光子である入射側偏光板と、透過型液晶パネルと、検光子である出射側偏光板から構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の投写型画像表示装置。
- 前記第１、第２および第３のプリズムの底面形状は直角三角形であることを特徴とする請求項７記載の投写型画像表示装置。
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