JP3659209B2 - 光学ユニット及びそれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源側からの光を分離して表示素子に照射し映像形成する投射型映像表示技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の映像表示装置技術において、光の偏光方向を揃える技術としては、例えば染料系偏光板のように、不要偏光光を吸収するものが用いられている。染料系偏光板は角度特性を持つため、従来は光軸に対し垂直になるように使用されている。また、反射型偏光素子としては偏光ビームスプリッタなどがある。これは、偏光膜面を光軸に対し４５度になるように使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術においては、例えば、入射される偏光光に他の方向の偏光光が混入していた場合（例えば、入射されるＳ偏光光にＰ偏光光が混入している場合や、逆に、入射されるＰ偏光光にＳ偏光光が混入している場合など）、該混入している偏光光を吸収してしまう。このため、発熱量が大きく、強力な冷却が必要であり、また、小形化や軽量化を図りにくい。また、従来の染料系偏光板では透過損失が大きく、明るさが低下する。また、偏光ビームスプリッタの様に偏光膜面を４５度に配置する構成では、その占有体積が大きく、小型、軽量化は困難である。
【０００４】
本発明の課題は、（１）耐熱性の改善、（２）画面の明るさ向上、（３）小形・軽量化に適した構成、である。
【０００５】
本発明の目的は、かかる課題を達成する技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、ガラス基板等の上にＴａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２等の蒸着膜や金属を微細周期の格子状（ワイアグリッド）に形成して成る微細周期格子型偏光素子を反射手段として用いる。微細周期格子型偏光素子の原理及び構成例については、１９９８年１月に応用物理学会、日本光学会から発行された「光学」２７巻１号（１９９８）第１２頁から第１６頁の「波長より細かな格子構造による光制御」（菊田他）に説明されている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【０００８】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す。
【０００９】
本第１の実施の形態は、電子的色分離手段で電子的に色分離した光を、微細周期格子型偏光ビームスプリッタを用いて１個の反射型表示素子に照射して映像表示する場合の構成例である。
【００１０】
図１において、１は光源ユニット、１６は該光源ユニット１の光源部、１５は楕円面、放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、２は複数の微小な集光レンズより成り複数の２次光源像を形成する第１のアレイレンズ、３は複数の微小な集光レンズより成り該第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する第２のアレイレンズ、４は該第２のアレイレンズ側からの光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離して出射する偏光ビームスプリッタ、４ａは該偏光ビームスプリッタ４の出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転するための１／２波長位相差板、７は電子的制御によって入射光を時分割で色分離する電子的色分離手段、５、６は光を集める集光レンズ、８は光路を折り曲げる為の反射ミラー、９は微細周期格子型偏光素子、１０は偏光ビームスプリッタ、１１は偏光方向を調整するλ／４板、１２は反射型液晶パネル等の反射型表示素子、１３は特定の偏光のみを透過する偏光板、１４は投射レンズユニットである。上記第１のアレイレンズ２からλ／４板１１までの光学系は、上記反射型表示素子に対する照明光学系を構成する。
【００１１】
上記構成において、上記光源ユニット１の光源部１６から出た光は、楕円面または放物面または非球面のリフレクタ1５にて反射集光され、上記第１のアレイレンズ２で複数の２次光源像を形成した後、上記第２のアレイレンズ３で該複数の２次光源像を結像し、該結像光が、偏光ビームスプリッタ４でＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／２波長位相差板４ａにより、例えば該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されてＳ偏光光とされ、偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光光と併せ、電子的色分離手段７に入射される。該偏光ビームスプリッタ４と該１／２波長位相差板４ａの該組合せは、Ｓ偏光光を出射する構成のいわゆる偏光変換部を形成している。上記１／２波長位相差板４ａにおいて、上記とは反対に、上記偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光光の偏光方向を回転してＰ偏光光とし、偏光変換部としてＰ偏光光を出射する構成としてもよい。本第１の実施の形態においては、電子的色分離手段７では、入射されたＳ偏光光が、電子的色分離手段７への電圧印加、非印加により制御され、時分割で赤色光（以下Ｒ光という）、緑色光（以下Ｇ光という）及び青色光（以下Ｂ光という）に色分離される。時分割色分離されたＲ光のＳ偏光光、Ｇ光のＳ偏光光及びＢ光のＳ偏光光はそれぞれ、集光レンズ５、６で集光され、微細格子型偏光板９に入射する。該微細格子型偏光板９ではそれぞれのＳ偏光光中にＰ偏光光が僅かに含まれているときには該Ｐ偏光光成分を反射して除去し、映像形成用に出射するＳ偏光光の純度を上げるようにする。
【００１２】
微細周期格子型偏光板９からのＲ光、Ｇ光及びＢ光のＳ偏光光は、電子的色分離手段７を介して偏光ビームスプリッタ１０に入射される。偏光ビームスプリッタ１０では、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光それぞれのＳ偏光光が反射され、λ／４板１１を介して、反射型液晶パネル等の反射型表示素子１２に照射される。反射型表示素子１２は、映像信号に基づき駆動回路で駆動され、上記照射された光を映像信号に対応して変調し、Ｓ偏光光をＰ偏光光の反射光として、再び、λ／４板１１及び偏光ビームスプリッタ１０に出射する。
【００１３】
偏光ビームスプリッタ１０においては、入射されるＰ偏光光の偏光状態と偏光ビームスプリッタ１０の透過及び反射の偏光軸との関係により、投射レンズ１４側へ出射される光量と光源部１６側へ出射される光量が決まる。このようにして、外部入力映像信号に従った映像を投影する。
【００１４】
反射型表示素子１２が黒表示を行う場合、出射光の偏光状態は入射光のそれと略同じであり、そのまま、入射光路に沿って、光源側に戻される。偏光ビームスプリッタ１０からの出射光は、偏光板１３を介して投射レンズユニット１４に入射される。偏光ビームスプリッタ１０からの出射光は、本実施の形態の場合、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光のいずれもがＰ偏光光である。偏光板１３により、偏光ビームスプリッタ１０からのＳ偏光光の漏れ光をカットし、スクリーン上における映像のコントラストを向上させる。投射レンズユニット１４に入射したＰ偏光光はスクリーン上等に拡大投射されて映像を映し出す。
【００１５】
かかる第１の実施の形態構成によれば、反射型表示素子１２および、偏光ビームスプリッタ１０により、光源側に出射された光は微細周期格子型偏光板を透過し、光源に戻るが、微細周期格子型偏光板にて略１０％の光は反射されてしまう。このとき微細周期格子型偏光板を略２０度光軸から傾けることで、微細周期格子型偏光板にて反射された光が、再び反射型表示素子１２に戻り迷光となることを防ぐことができる。同時に、反射型表示素子１２および、λ／４板１１、偏光ビームスプリッタ１０などの光学部品およびその周辺にある構造部品に不要なエネルギーを与えることを防ぐ事ができる。微細周期格子型偏光素子を光軸から傾ける角度は、１５度以下では反射光による迷光が発生しやすく、画質の劣化を招いてします。また、該微細周期格子型偏光素子は角度特性を持つため、３０度以上ではコントラストの劣化を招いてしまう。また、占有面積が大きくなり小型、軽量化が困難になる。さらには、面積が大きくなるため部品としての製造コストが増大する可能性も大きい。
【００１６】
本第１の実施の形態の構成により、特に色分離合成系を主体に装置の耐熱性を改善でき、かつ小形・軽量化が可能となる。また、電子的色分離手段７を用い、色の切換え（色分離）を電子的制御で行う構成としているため、色分離の切換え速度を高められ、高密度画素の画像表示等にも適用できる。さらに、光源ユニットから投射レンズユニットへの光軸がＵ字状に折り曲がった光路形状としているため、この点からも光学ユニットや映像表示装置全体の外形サイズを小形化できる。
【００１７】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。
【００１８】
本第２の実施の形態は、色分離手段により分離した赤、緑、青の３色の光のうち少なくとも1色の光の偏光素子として微細周期格子型偏光素子を用いるようにした場合の構成例である。
【００１９】
図２において、１は光源ユニット、１６は該光源ユニット１の光源部、１５は楕円面または放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、２は複数の微小な集光レンズより成り複数の２次光源像を形成する第１のアレイレンズ、３は複数の微小な集光レンズより成り該第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する第２のアレイレンズ、４は該第２のアレイレンズ側からの光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離する偏光ビームスプリッタ、４ａは該偏光ビームスプリッタ４の出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転するための１／２波長位相差板、５a、５b、６a、６bは光を集束するための集光レンズ、８は光路を任意の方向に反射させ折り曲げる反射ミラー、９は入射偏光板として用いる微細周期格子型偏光素子、９ｂは入射偏光板、１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃはＳ偏光光とＰ偏光光を分離する偏光ビームスプリッタ、１１は偏光方向を調整するλ／４板、１７は色分離用のダイクロイックミラー、１８a、１８bは特定波長帯域の光のみを偏光変換する特定波長帯域位相差板、１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇは透過型液晶パネル等の透過型表示素子、１３は出射偏光板、１４は拡大投射用の投射レンズユニット、上記第１のアレイレンズ２から上記入射側の集光レンズ６ａ、６ｂまでの光学系は、上記透過型表示素子１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇに対する照明光学系を構成する。
【００２０】
かかる構成において、上記光源ユニット１の光源部１６から出た光は、リフレクタ1５にて反射集光され、上記第１のアレイレンズ２で複数の２次光源像を形成した後、上記第２のアレイレンズ３で該複数の２次光源像を結像し、該結像光が、偏光ビームスプリッタ４でＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／２波長位相差板４ａにより、該Ｐ偏光光が偏光方向を回転されてＳ偏光光とされ、偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光光と併せ、集光レンズ５aに入射される。偏光ビームスプリッタ４と１／２波長位相差板４ａの組合せは、いわゆるＳ偏光光を出射する構成の偏光変換部を形成する。上記１／２波長位相差板４ａにおいて、上記と逆に、上記偏光ビームスプリッタ４で分離されたＳ偏光光の偏光方向を回転してＰ偏光光とし、偏光変換部としてはＰ偏光光を出射する構成としてもよい。
【００２１】
本第２の実施の形態の場合は、Ｓ偏光光が集光レンズ５aに入射されるものとする。Ｐ偏光光の反射の場合には、微細周期格子型反射手段９および、入射偏光板９bの前にＳ偏光光に変換する１／２波長位相差板が必要となる。透過で使う場合は、１／２波長位相差板は必要ない。
【００２２】
集光レンズ５aを出射した光は光軸に対し略４５度に配置された反射ミラー８で略９０度折り曲げられ集光レンズ５bに入射する。集光レンズ５bで集光された光はダイクロイックミラー１７に入射され、ダイクロイックミラー１７の作用により、G光は反射され、R光およびB光は透過する。すなわちG光と、R光＋Ｂ光とに分離される。
【００２３】
透過されたR光およびB光は入射偏光板として作用する微細周期型偏光素子９により、含まれていたP偏光成分を反射され偏光（S偏光）の純度を高められ、集光レンズ６aを透過し、特定波長専用位相差板１８aに入射する。特定波長専用位相差板１８aはB光のみを偏光変換し、P偏光に変換するため、Ｒ光はＳ偏光のまま、Ｂ光はＰ偏光として偏光ビームスプリッタ１０aに入射する。偏光ビームスプリッタ１０aでS偏光であるR光は反射され、１／４波長板１１Ｒを介し、反射型表示素子１２Ｒに入射する。また、P偏光光であるB光は偏光ビームスプリッタ１０aを透過し、１／４波長板１１Ｂを介し、反射型表示素子１２Ｂに入射する。
【００２４】
ダイクロイックミラー１７で反射されたG光は集光レンズ６bを透過し、入射偏光板9ｂにより不要な偏光光であるP偏光成分を吸収させることにより、S偏光成分の純度を高め、偏光ビームスプリッタ１０bに入射する。偏光ビームスプリッタ10ｂは入射したＧ光（Ｓ偏光）を反射し、１／４波長板１１Ｇを介し、反射型表示素子１２Ｇへ導く。
【００２５】
反射型表示素子１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇは、映像信号に基づき駆動回路で駆動され、上記照射された光を該映像信号に対応して変調し、Ｓ偏光光をＰ偏光光の反射光として、逆にP偏光光S偏光光として再び、λ／４板１１R、１１G、１１B及び偏光ビームスプリッタ１０a、１０bに出射する。偏光ビームスプリッタ１０においては、入射される偏光光の偏光状態と偏光ビームスプリッタ１０a、１０bの透過及び反射の偏光軸との関係により、投射レンズ１４側へ出射される光量と光源部１６側へ出射される光量が決まる。このようにして、外部入力映像信号に従った映像を投影する。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ１０aより投射レンズ１４へ出射される光は、Ｒ光はＰ偏光光、Ｂ光はＳ偏光光であるが、偏光ビームスプリッタ１０a出射側にＲ光の偏光を変換する特定波長位相差板１８bにより、Ｒ光はＳ偏光に変換され、Ｂ光もＳ偏光のまま出射される。また、本構成においては、Ｇ光はＰ偏光で偏光ビームスプリッタ１０ｂに出射される。Ｒ光、Ｂ光のＳ偏光とＧ光のＰ偏光は偏光ビームスプリッタ１０ｃで合成され、反射型表示素子１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂそれぞれの表示した映像をひとつの像として形成し、コントラストを向上させるための出射偏光板１３、および投射レンズ１４を介しスクリーンに表示される。
【００２７】
反射型表示素子１２が黒表示を行う場合、出射光の偏光状態は入射光のそれと略同じであり、そのまま、入射光路に沿って、光源側に戻される。偏光ビームスプリッタ１０からの出射光は、偏光板１３を介して投射レンズユニット１４に入射される。
【００２８】
かかる第２の実施の形態の構成によれば、反射型表示素子１２Ｒ、１２Ｂおよび、偏光ビームスプリッタ１０aにより、光源側に出射された光は該微細周期格子型偏光板を透過し、光源に戻るが、微細周期格子型偏光板にて略１０％の光は反射されてしまう。このとき該微細周期格子型偏光板を略２０度だけ光軸から傾けることで、微細周期格子型偏光板にて反射された光が、再び反射型表示素子１２に戻り迷光となることを防ぐことができる。また、反射型表示素子１２R、１２Bおよび、λ／４板１１、偏光ビームスプリッタ１０aなどの光学部品およびその周辺にある構造部品に不要なエネルギーを与えることを防ぐ事ができる。
【００２９】
なお、上記照明光学系の光学要素のうちダイクロイックミラー１７、上記ダイクロイックプリズム１０a, １０b, １０c、及び出射側偏光板１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、投射型映像表示装置の色分離合成系を形成する。
【００３０】
かかる第２の実施の形態構成によれば、（１）微細周期格子型偏光素子を使用しているため、耐熱性、耐光性に優れ、冷却構造等を小型・軽量化が出きる。このため、他の光学素子に冷却用の空気等を容易に供給でき、これらの冷却がし易くなって、冷却効率を向上できる。冷却効率向上は、光源からの光の増大を可能とし、明るさを向上させることができる。また、消費電力の低減化も可能となる。また、（２）透過特性特性にも優れているため、明るさ、色度の改善が図られる。（３）微細周期格子型偏光素子を略２０度に配置することにより、反射型表示素子からの戻り光を光路上から効果的に排することができ、迷光、コントラストの劣化等を防ぎ、画質の向上が図られる。
【００３１】
なお、上記図２の構成においては、偏光板９ｂ、１３の全部または一部に、微細周期格子型偏光素子を用いてもよい。これら偏光板として微細周期格子型偏光素子を用いた場合には、偏光板の耐熱性を改善でき、偏光純度を改善できる。明るさの向上にもつながる。
【００３２】
なお、上記実施の形態においては、表示素子を１個または３個用いる構成としたが、本発明はこれに限定されない。
【００３３】
また、出射偏光板は偏光ビームスプリッタ１０ｃの出射側としているが、偏光ビームスプリッタ１０a,および１０bの出射面から投射レンズ１４の間であれば本発明はこれに限定されない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、光の利用率を上げ、明るい映像面の映像表示装置を提供できる。また、小形化に適した構成も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による映像表示装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明による映像表示装置の他の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…光源ユニット、 ２…第１のアレイレンズ、 ３…第２のアレイレンズ、４…偏光ビームスプリッタ、 ４ａ…１／２波長位相差板、 ５、５a、５b、６、６a、６b、…集光レンズ、 ７…電子的色分離手段、８…反射ミラー、９…微細周期格子型偏光素子、９ｂ、１３…偏光板、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…λ／４板、 １０、１０a、１０b、１０c…偏光ビームスプリッタ、 １２、１２Ｒ、１２Ｂ、１２Ｇ…反射型表示素子または透過型表示素子、 １４…投射レンズユニット、１５…リフレクタ、 １６…光源、 １７…ダイクロイックミラー、 １８a、１８b…特定波長位相差板、 ２４…電源回路、 ２５…信号処理回路、 ２６…冷却用ファン。

Claims (2)

1. 光源ユニットの出射光から映像信号に応じた光学像を形成する反射型映像表示素子と、該反射型映像表示素子に光を照射し、該反射型映像表示素子から反射された光を出射する照明光学系とを備える映像表示装置用の光学ユニットにおいて、
   上記照明光学系は、
   不要な偏光の光を反射または透過することにより光の偏光方向を揃える第1の偏光手段と、
   上記反射型映像表示素子の近傍に配置され、入射光を透過または反射させることにより、該反射型映像表示素子に導くとともに、該反射型映像表示素子からの反射光のうち、不要光を排し必要光のみを出射側へ導く第２の偏光手段とを有し、
   上記第1の偏光手段は、上記光源ユニットと上記第２の偏光手段との間に配置され、微細周期格子型偏光素子により構成される反射型偏光素子により構成され、光軸に対し１５度以上３０度以下の角度範囲で傾いて配置され、上記反射型映像表示素子からの戻り光を光路上とは異なる方向に反射させるように構成したことを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットと、該光学ユニット内の反射型映像表示素子を映像信号に基づき駆動する駆動回路と、電源回路とを備え
   て構成されることを特徴とする映像表示装置。

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