JP3692653B2 - Projection display - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置に形成された画像をスクリーン上に拡大表示する投写型表示装置の構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
投写型表示装置の光学系として、解決すべき重要課題に光利用効率の向上と照明光の照度分布の均一化が挙げられる。光利用効率を向上させることにより、より明るい表示状態を、また、照度分布を均一化することにより明るさのムラがない表示状態を実現することができるからである。
【0003】
ここで、照明光の均一性を高める技術としては、その代表的な例として、特開平3−111806号公報に記載されたように、光源からの光を複数の中間光束に分割する光学系(インテグレータ光学系)を用いたものが知られている。
【0004】
一方、液晶装置のような画素を有する素子において、画素密度の向上に従って光が通過する画素開口部が占める画素あたりの面積割合(開口率)が低下するため、マイクロレンズを用いて実質的な開口率を向上させるという技術が知られている。すなわち、画素開口部に対応して配置された各マイクロレンズで照明光束を分割すると共に分割した光束をそれぞれ集光し、光束径を細くした状態で、画素開口部を通過させることにより、素子における光透過率(すなわち光利用効率)を向上させるのである。その結果、光利用効率を高め、明るい画像を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにマイクロレンズが配置された変調素子をインテグレータ光学系を採用した投写型表示装置に単純に採用しても、インテグレータ光学系を構成するレンズ板により形成される光源像と変調素子の画素の配列が一致しないため、結果的に投写画像は不均一となってしまい、また、明るい画像を得ることもできない。
【0006】
そこで、本発明は、変調素子が必要とする光の性質に着目することにより、光源から出射された光を変調素子の画素開口部へ効果的に導いて光利用効率を大幅に向上させて、明るくかつムラのない投写画像が得られる投写型表示装置を提案することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第1の投写型表示装置は、
光源と、前記光源から出射された光から略同一平面上に複数の第1の2次光源像を形成する第1の2次光源像形成手段と、略同一平面上に、前記第1の2次光源像形成手段により形成された複数の第1の2次光源像を2倍に増やした第2の2次光源像を形成する第2の2次光源像形成手段と、略同一平面上に、前記第2の2次光源像形成手段により形成された前記第2の2次光源像から3次光源像を形成する3次光源像形成手段と、前記3次光源像形成手段から出射された光を画素により変調する変調手段とを有し、前記3次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように前記第1の2次光源像形成手段または3次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする。
【0008】
上記の構成によれば、2つの2次光源像形成手段を用いているため投写画像の明るさムラを大幅に低減することが可能となる。しかも、3次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比(以下、単に「配列ピッチの比」という)が画素の配列ピッチの比と略同一となるように第1の2次光源像形成手段または3次光源像形成手段の光学特性が決定されているため、光源から出射された光を変調素子の画素開口部へ効果的に導くことが可能となり、極めて明るい投写画像を得ることが可能となる。
【0009】
上記第1の投写型表示装置において、第2の2次光源像の配列ピッチの比が、画素の配列ピッチの比と略同一となるように、あるいは、第1の2次光源像の縦の配列ピッチの2分の1と横の配列ピッチとの比が、前記変調手段の前記画素の配列のピッチの比と略同一となるように、前記第1の2次光源像形成手段の光学特性を決定すれば、どのような3次光源像形成手段を用いても第1の2次光源像形成手段の光学特性を変化させるだけで対応することが可能である。
【0010】
すなわち、3次光源像形成手段は一般的にマイクロレンズで形成されていることが多いが、第1の2次光源像形成手段の光学特性を変化させるようにすれば、トーリック曲面を有しない一般的な球面形状を有するマイクロレンズを使用でき、マイクロレンズの作製が容易となる。
【0011】
また、上記第1の投写型表示装置において、第1の2次光源像形成手段として、略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であるものを採用することができる。このように、変調手段の有効画像形成領域よりも若干大きめに設定された被照明領域の縦横比に合わせて光束分割レンズの縦横比を設定すると、光束分割レンズにより形成された個々の像をそれぞれ被照明領域と略同じ大きさで被照明領域上に重畳させることができる。従って、変調手段の被照明領域の照度分布がさらに均一となり、さらに明るさムラの少ない投写画像を得ることが可能である。
【0012】
さらに、上記第1の投写型表示装置において、前記光源から出射された光を2以上の色光に分離する色分離手段と、前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、前記合成手段により合成された前記色光を投写する投写光学系とを設けることにより、明るく、色再現性が良く解像度の高いカラー画像を表示可能な小型の投写型表示装置を実現することができる。
【0013】
次に、本発明第2の投写型表示装置は、光源と、前記光源からの入射光束を複数の中間光束に分割して複数の光源像を形成する光束分割手段と、前記複数の中間光束のそれぞれを2種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離手段、及び、前記偏光分離手段により分離された2種類の偏光光束の偏光方向を揃える偏光変換手段を備えた偏光発生手段と、前記偏光発生手段側にマイクロレンズが配置された変調手段とを有し、前記変調手段は複数の画素を備え、前記マイクロレンズにより形成される光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段または前記マイクロレンズの光学特性が決定されていることを特徴とする。
【0014】
上記の構成によれば、本発明の投写型表示装置は、光源から出射されるランダムな偏光光束を複数の光束に分割し、それらの光束のそれぞれをほぼ一種類の偏光方向を有する偏光光束に変換した後、変調手段上で重畳結合して変調手段を照明するため、偏光方向の揃った光束により変調手段を均一に照明することができ、さらに、変調手段に入射した偏光光束は、変調手段に併設されたマイクロレンズにより、再度複数の光束に分割しながら集光され、変調手段の画素上に導びかれるため、変調手段における光利用効率を極めて高くできるという効果がある。加えて、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わない。従って、投写型表示装置における光利用効率を極めて高いものとすることができ、明るく、明るさムラのない投写画像を表示できる投写型表示装置を実現できる。よって、非常に光出力の大きな光源ランプを用いて、非常に明るい投写画像を表示可能な投写型表示装置を実現しようとした場合でも、変調手段の温度上昇を防止する冷却装置は小型のもので対応可能であり、従って、騒音が静かで小型の投写型表示装置を実現できる。
【0015】
ここで、変調手段としては透過型または反射型の液晶装置等を使用することができる。
【0016】
また、光源部は、一般的に光源ランプとリフレクターによって構成されるものが多く、光源ランプとしては、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等が、また、リフレクターとしては放物面リフレクター、楕円リフレクター、球面リフレクター等が使用できる。
【0017】
上記の構成においては、偏光発生手段で形成した光源像(2次光源像)をマイクロレンズにより変調手段の画素上に新たな光源像(3次光源像)として伝達する機構を採用しているため、マイクロレンズアレイ板に形成されているマイクロレンズが変調手段の画素と1対1で対応するように、マイクロレンズを形成する必要は必ずしもない。すなわち、マイクロレンズアレイ板のマイクロレンズの数と変調手段の画素の数とは一致させる必要は必ずしもなく、マイクロレンズの数は変調手段の画素の数の整数分の一であればよい。この場合には、一つのマイクロレンズによって複数の2次光源像を複数の画素上に伝達することになる。
【0018】
マイクロレンズはガラス材料、透明結晶化ガラス材料、及び樹脂材料等の表面を切削加工、プレス成型、及び光成型することによって容易に得ることができる。
【0019】
また、マイクロレンズは一旦別の基板(マイクロレンズアレイ板)に作製しておき、マイクロレンズアレイ板として変調手段に取り付けて用いてもよいが、変調手段を構成する基板の一部に最初から一体的に作り込んだものを用いることもでき、その場合には、変調手段の薄型化と低コスト化をはかることができる。
【0020】
上記第2の投写型表示装置において、偏光発生手段により形成される光源像の配列ピッチの比と画素の配列ピッチの比とが略同一となるように、あるいは、光束分割手段によって形成される複数の光源像の縦の配列ピッチの2分の1と横の配列ピッチとの比が、画素の配列ピッチの比と略同一となるように、前記光束分割レンズの光学特性を決定したものを採用することができる。
【0021】
光束分割手段の光学特性は、例えば、光束分割手段をその一部または全部が偏心レンズで構成されたレンズ板で構成したり、複数の同心レンズからなる第1のレンズ板と複数のシリンドリカルレンズからなる第2のレンズ板とを組み合わせたりすることにより、容易に変更することができる。このようなレンズの使用により、集光像(2次光源像)の形成位置を自在に制御できるため、集光像の配列の仕方を変調手段の画素の配列の仕方に容易に対応させることができるからである。
【0022】
これにより、トーリック曲面を有しない一般的な球面形状を有するマイクロレンズを使用でき、マイクロレンズの作製が容易となる。
【0023】
上記第2の投写型表示装置において、第1の2次光源像形成手段として、略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、光景の光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であるものを採用することができる。このように、変調手段の有効画像形成領域よりも若干大きめに設定された被照明領域の縦横比に合わせて光束分割レンズの縦横比を設定すると、光束分割レンズにより形成された個々の像をそれぞれ被照明領域と略同じ大きさで被照明領域上に重畳させることができる。従って、変調手段の被照明領域の照度分布がさらに均一となり、さらに明るさムラの少ない投写画像を得ることが可能である。
【0024】
一方、上記第2の投写型表示装置において、光束分割レンズの光学特性を変化させない場合には、前記マイクロレンズの一部または全部をトーリック形状のレンズとすれば良い。トーリック形状のレンズでは、X軸方向とY軸方向とのレンズ曲率が異なるため、2次光源像を伝達する際に、2次光源像の配列の間隔をX軸方向とY軸方向とでそれぞれ独立に変化させることができる。従って、2次光源像の配列の仕方と変調手段の画素の配置の仕方とが相似関係にない状態であっても、2次光源像を変調手段の画素上に伝達できるため、光学系の設計の自由度が向上する効果がある。また、この構成では、光束分割手段である第1の光学要素と集光レンズアレイとを同一のレンズアレイ体で兼用することができるため、光学系の低コスト化を達成できる。
【0025】
上記第2の投写型表示装置において、前記偏光分離手段が、前記複数の中間光束のそれぞれを2種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離面、及び、前記偏光分離面と平行に形成され、前記偏光分離面により分離された2種類の偏光光束のうち一方を他方の偏光光束の出射方向と略同一方向に出射させる反射面を備えた偏光分離ユニットを複数有する構成とすることができる。
【0026】
このような偏光分離手段を採用することにより、わずかなスペースで偏光分離を行うことが可能となり、投写型表示装置を小型化できる。
【0027】
なお、このような偏光分離手段を用いた構成において、偏光発生装置から出射される光束を平行化するための平行化レンズを、偏光発生装置と変調手段との間に配置した構成とすることができる。その場合には、マイクロレンズにおける集光性能を向上でき、従って、形成される3次光源像の大きさを小さくでき、3次光源像を偏光手段の画素上により容易に形成することができる。従って、変調手段における光利用効率を一層向上できる効果がある。
【0028】
また、光束分割手段から出射される中間光束をそれぞれ集光して偏光分離手段に導くために、光束分割手段を構成する光束分割レンズと同数の集光レンズを2次元状に配列して構成した集光レンズアレイを、光束分割手段と偏光分離手段との間に配置した構成とすることができる。その場合には、それぞれの中間光束をそれぞれの偏光分離ユニット上の特定の場所に効率よく導くことが可能となり、偏光発生手段における光利用効率を一層向上できる効果がある。尚、集光レンズアレイは偏光分離手段と一体化することもでき、その場合には、界面での光損失を低減できる効果がある。
【0029】
さらに、偏光発生手段から出射される偏光方向が揃った偏光光束を変調手段上に重畳結合させるための結合レンズを、偏光発生手段と変調手段との間に配置した構成とすることができる。その場合には、偏光方向が揃った偏光光束の変調手段上における重畳結合をより容易にする効果がある。また、結合レンズのレンズ特性(倍率)を変えることによって、変調手段上での照明領域の大きさを容易に変化できる副次的な効果もある。
【0030】
さらにまた、光束分割手段から出射される中間光束のそれぞれを、それぞれの偏光分離ユニットの偏光分離面の部分にだけ入射させるための遮光板を、光束分割手段と偏光分離ユニットとの間に配置した構成とすることができる。その場合には、偏光分離ユニットの反射面に直接入射する中間光束を排除し、偏光分離面にのみ中間光束を導くことができるため、偏光発生装置から出射される偏光光束に、他の偏光方向を有する偏光光束が混入することを防止することができる。従って、変調手段に液晶装置を用いた場合には、液晶装置に併設される偏光板での光吸収量を低減でき、液晶装置及び偏光板の温度上昇を防止できる効果がある。さらに、遮光板の設置によって、平行性が悪い出射光を出射する光源を用いることが可能となる。尚、遮光板は、集光レンズアレイあるいは偏光分離手段と一体化することもでき、その場合には、光学系を小型化できる効果がある。
【0031】
上記第2の投写型表示装置において、屈折率分布型のマイクロレンズからなるマイクロレンズを採用しても良い。その場合には、マイクロレンズアレイ板の表面を平坦化することが可能であるため、マイクロレンズアレイ板と変調手段とを容易に一体化でき、マイクロレンズアレイ板と変調手段と界面における光損失を低減できる効果がある。
【0032】
また、最密充填されたマイクロレンズを採用しても良い。この場合には、隙間なくレンズが配置できるため、マイクロレンズアレイ板における光利用効率を一層向上できる効果がある。
【0033】
なお、マイクロレンズアレイ板は、変調手段と一体化した構成としてもよい。その場合には、マイクロレンズアレイ板と変調手段との界面における光損失を低減できるため、変調手段における光利用効率を一層向上できる効果がある。特に、マイクロレンズアレイ板と変調手段を構成する基板とを同一基板とすれば、変調手段を薄型化することができる。
【0034】
さらに、上記第2の投写型表示装置において、前記光源からの出射光を2以上の色光に分離する色光分離手段と、前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、前記色合成手段により合成された各色光を投射する投写光学系とを設ければ、明るく、色の表現性がよく、解像度の高いカラー画像を表示可能な小型の投写型表示装置を実現することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の各実施例を説明する。尚、以下の各実施例においては、便宜的に、互いに直交する3つの方向をX軸方向(横方向)、Y軸方向(縦方向)、Z軸方向(システム光軸方向)とする。また、各実施例においては、同じ機能を有する部分には同じ符号を付して、説明の重複を避けている。
【0036】
(実施例1)
図1は、本発明を適用した投写型表示装置の光学的な要部を平面的に示した概略構成図である。本例の投写型表示装置1は、システム光軸L(Z軸方向)に沿って配置した光源部10及び2次光源像形成手段20、変調手段としての液晶装置部40、投写光学系を成す投写レンズ50から大略構成されている。光源部10から出射されたランダムな偏光光束は、2次光源像形成手段20により偏光方向がほぼ揃った一種類の偏光光束に変換され、液晶装置部40を照明し、投写レンズ50を経て投写面であるスクリーン60に至るようになっている。尚、本例の液晶装置部には透過型の液晶装置が使用されている。
【0037】
光源部10は、光源ランプ101と、放物面リフレクター102から大略構成されており、光源ランプから放射された光は、放物面リフレクター102によって一方向に反射され、略平行な光束となって2次光源像形成手段20に入射する。ここで、光源部10の光源光軸Rがシステム光軸Lに対して一定の距離D(光束分割レンズの横幅の1/4に相当する)だけX方向に平行シフトした状態となるように、光源部10は配置されている。
【0038】
次に、2次光源像形成手段20は、光束分割手段としての第1の光学要素200と、主に偏光発生手段として機能する第2の光学要素300から構成されている。
【0039】
第1の光学要素200は、その外観を図2に示す様に、XY平面上で矩形状の外形(開口形状)を有する複数の光束分割レンズ201が直交マトリックス状に配列して構成されている。また、光源部10と第1の光学要素200との位置関係は、光源光軸Rが第1の光学要素200の中心に来るように設定されている。第1の光学要素200に入射した光は、光束分割レンズ201により複数の中間光束202に分割され、同時に光束分割レンズの集光作用により、システム光軸Lと垂直な平面内(図1ではXY平面)の中間光束が収束する位置に光束分割レンズの数と同数の集光像(2次光源像)203を形成する。この集光像は光束分割レンズを通して形成される光源像に他ならないため、以下では2次光源像と呼ぶ。
【0040】
尚、光束分割レンズ201のXY平面上における外形形状は、液晶装置部40を構成する液晶装置401の被照明領域の形状と相似形をなすように設定されている。本例では、XY平面上でX方向に長い横長の有効画像形成領域(縦:横のアスペクト比は3:4)を有する液晶装置を想定している。被照明領域とは、液晶装置401上に光源像が投影されるべき領域であり、通常、液晶装置の有効画像形成領域に対しマージンを持たせるため、有効画像形成領域よりも若干大きめに設定されている。この被照明領域の縦横比に合わせて光束分割レンズの縦横比を設定すると、光束分割レンズにより形成された個々の像をそれぞれ被照明領域と略同じ大きさで被照明領域上に重畳させることができる。従って、変調手段の被照明領域の照度分布がさらに均一となり、さらに明るさムラの少ない投写画像を得ることが可能である。本例では被照明領域の縦:横のアスペクト比を3:4としているので、光束分割レンズ201の縦:横のアスペクト比もほぼ3:4としている。従って、光束分割レンズのX軸方向の配列ピッチとY軸方向の配列ピッチの比は1:3/4である。
【0041】
また、光束分割レンズの配列の仕方は、図2に示したような直交マトリックス状に限定されない。例えば、奇数行を構成する光束分割レンズの列びに対して、偶数行を構成する光束分割レンズの列びが相互にX軸方向にずれた、いわゆるデルタ配置であってもよい。
【0042】
第1の光学要素を構成する光束分割レンズ201の一部には偏心レンズが用いられており、光束分割レンズによって形成される2次光源像の形成位置を調整している。図3は、それぞれの光束分割レンズにおけるレンズ光軸の位置を示した図であり、図3では第3行を構成する光束分割レンズのみが一般的な同心レンズ(レンズ中心にレンズ光軸が設定されたレンズ)であり、その他の第1、2、4、5行を構成する光束分割レンズは、全て、レンズ光軸210がY軸方向にシフトした偏心レンズである。但し、同一行を構成する一連の光束分割レンズのレンズ特性は全て同じである。その結果、一連の2次光源像は、図4(光源部10側から2次光源像形成手段20を見た場合)に示すように、直交マトリックス状に配列して形成される。但し、2次光源像のX軸方向の配列ピッチとY軸方向の配列ピッチの比は1:1/2であり、第1の光学要素における光束分割レンズのX軸方向とY軸方向との配列ピッチの比(1:3/4)とは異なっている。これは、第1の光学要素を構成する光束分割レンズの一部にレンズ光軸がY軸方向にシフトした偏心レンズを用いているためであり、その結果、2次光源像のY軸方向における配列ピッチのみが狭くなったためである。尚、第1の光学要素を構成する光束分割レンズの数あるいはその配列の仕方によっては、全ての光束分割レンズが偏心レンズとなる場合もある。さらに、本例の第1の光学要素200に代えて、同心レンズのみを用いて構成した第1の光学要素と一方向にのみ光を集光するシリンドリカルレンズを用いた構成としても、2次光源像のY軸方向における配列ピッチのみを調節することは可能である。
【0043】
第2の光学要素300は、集光レンズアレイ310、遮光板370、偏光分離ユニットアレイ320、選択位相差板380及び結合レンズ390から大略構成される複合体であり、第1の光学要素200による2次光源像203が形成される位置の近傍の、システム光軸Lに対して垂直な平面内(図1ではXY平面)に配置される。この第2の光学要素300は、中間光束202のそれぞれをP偏光光束とS偏光光束とに空間的に分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの偏光光束を液晶装置401の有効画像形成領域に導くような機能を有している。
【0044】
集光レンズアレイ310は、第1の光学要素200とほぼ同様な構成となっており、即ち、第1の光学要素200を構成する光束分割レンズ201と同数の集光レンズ311をマトリックス状に配列したものであり、それぞれの中間光束202を偏光分離ユニットアレイ320の特定の場所に集光しながら導く機能を有している。従って、第1の光学要素により形成された中間光束の特性に合わせて、また、偏光分離ユニットアレイに入射する光はその主光線の傾きがシステム光軸Lと平行であることが理想的である点を考慮して、各集光レンズのレンズ特性は各々最適化されている。従って、本例の集光レンズアレイはその一部に偏心レンズを用いて構成されている。ここで、集光レンズアレイは遮光板370や偏光分離ユニットアレイから離れた位置(第1の光学要素に近い側)に配置してもよい。また、2次光源像形成手段20自体の構成や、光源部10から出射される光の特性によっては、集光レンズアレイを省略することもできる。特に、第1の光学要素に入射する光束の平行性が極めて良い場合には、第2の光学要素から集光レンズアレイを省略した構成としても良い。
【0045】
遮光板370はその外観を図5に示すように、図中斜線で示す複数の遮光面371と複数の開口面372とが規則的に配列するように構成されたものであり、遮光面371に入射した光束は遮られ、開口面372に入射した光束は遮光板370をそのまま通過する。すなわち、遮光板370は、遮光板上の位置に応じて透過する光束を制御する機能を有している。また、遮光面371と開口面372の位置は、2次光源像203が形成される位置を後述する偏光分離ユニット330の偏光分離面331上に限定するように設定されている。本例では、遮光板370として、ガラス板等からなる平板状の透明体にクロム膜やアルミニウム膜等からなる遮光性の膜を部分的に形成したものを用いているが、、例えばアルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを使用しても良い。また、本例のように遮光性の膜を利用して遮光面371を形成する場合には、遮光性の膜を集光レンズアレイ310や後述する偏光分離ユニットアレイ320上に直接形成しても同様の機能を発揮させることができ、この場合には部品点数が増加しないという利点がある。尚、平行性がよい光束を出射する光源を用いた場合には、遮光板を省略することができる。
【0046】
次に、偏光分離ユニットアレイ320は、その外観を図6に示すように、複数の偏光分離ユニット330がマトリックス状に配列した構成をなしている。偏光分離ユニットの配列の仕方は、第1の光学要素200を構成する光束分割レンズ201のレンズ特性及びそれらの配列の仕方に対応している。すなわち、本例においては、光束分割レンズを直交マトリックス状に配列すると共に、光束分割レンズの一部に偏心レンズを用いて第1の光学要素を構成し、特に、2次光源像のY軸方向における配列ピッチを狭くしているため、2次光源像の配列ピッチに対応する大きさの偏光分離ユニットを用いて、それらを全て同じ向きに直交マトリックス状に配列することによって、偏光分離ユニットアレイを構成している。よって、偏光分離ユニットのXY平面上における縦:横のアスペクト比は1:2となっている。
【0047】
尚、Y軸方向に列ぶ同一列の偏光分離ユニットが全て同じ偏光分離ユニットである場合には、Y軸方向に細長い偏光分離ユニットをX軸方向に配列して構成した偏光分離ユニットアレイを用いた方が、偏光分離ユニット間の界面における光損失を低減できると共に偏光分離ユニットアレイの製造コストを低減できるという点で有利である。さらに、X軸方向に列ぶ偏光分離ユニット間の界面を無くすことも可能であり、この場合にも偏光分離ユニット間の界面における光損失を低減できるとともに、偏光分離ユニットアレイの製造コストを低減することができる。
【0048】
偏光分離ユニット330はその外観を図7に示す様に、内部に偏光分離面331と反射面332を備えた四角柱状の構造体であり、偏光分離ユニットに入射する中間光束のそれぞれをP偏光光束とS偏光光束とに空間的に分離する機能を有している。偏光分離ユニットのXY平面上における縦:横のアスペクト比は1:2となっていることから、偏光分離面331と反射面332とは横方向(X軸方向)に並ぶように配置されている。ここで、偏光分離面331と反射面332とは、偏光分離面がシステム光軸Lに対して約45度の傾きをなし、且つ、反射面が偏光分離面と平行な状態をなし、さらに、偏光分離面がXY平面上に投影する断面積(後述するP出射面333の面積に等しい)と反射面がXY平面上に投影する断面積(後述するS出射面334の面積に等しい)とが等しくなるように配置されている。従って、本例では、偏光分離面331が存在する領域のXY平面上での横幅Wpと反射面332が存在する領域のXY平面上での横幅Wmとは等しく、且つ、それぞれが偏光分離ユニットのXY平面上での横幅Wの半分になるように設定されている。尚、一般的に、偏光分離面は誘電体多層膜で、また、反射面は誘電体多層膜或いはアルミニウム膜で形成することができる。
【0049】
偏光分離ユニット330に入射した光は、偏光分離面331において、進行方向を変えずに偏光分離面を通過するP偏光光束335と、偏光分離面で反射され隣接する反射面332の方向に進行方向を変えるS偏光光束336とに分離される。P偏光光束335はそのままP出射面333を経て偏光分離ユニットから出射され、S偏光光束336は再び反射面332で進行方向を変え、P偏光光束335とほぼ平行な状態となって、S出射面334を経て偏光分離ユニットから出射される。従って、偏光分離ユニットに入射したランダムな偏光光束は偏光分離ユニットにより偏光方向が異なるP偏光光束とS偏光光束の二種類の偏光光束に分離され、偏光分離ユニットの異なる場所(P出射面とS出射面)からほぼ同じ方向に向けて出射される。
【0050】
以上のように、偏光分離ユニットを光束が通過することによって、光束の数は2倍に増加することから、偏光分離ユニット内に形成された2次光源像の数も、偏光分離ユニットの出射面の側から見れば、同様に2倍に増加して見える。すなわち、図8に示すように、偏光分離ユニットアレイ内では1つの偏光分離ユニットの中に、P偏光光束による2次光源像204(向かって右側)とS偏光光束による2次光源像205(向かって左側)の2つの2次光源像が横方向(X軸方向)に対になって並ぶ状態で形成されている。この2次光源像の形成状態を先に図4に示した場合と比較すると、X軸方向に2次光源像が増えたことによって、X軸方向に列ぶ2次光源像の配列ピッチは実質的にU/2に狭くなっており、2次光源像のX軸方向の配列ピッチとY軸方向の配列ピッチの比は1:1となっていることが判る。つまり、X軸方向に列ぶ2次光源像の配列ピッチとY軸方向に列ぶ2次光源像の配列ピッチとは共にU/2で等しく、全ての2次光源像は直交マトリックス状に配置されている。ここで重要なことは、この2次光源像の配列の仕方は後述する液晶装置の画素開口部の配列の仕方と完全に対応しているという点である。
【0051】
偏光分離ユニットは上記の様な機能を有することから、偏光分離ユニットの偏光分離面が存在する領域に中間光束を導く必要があり、そのため、偏光分離ユニット内の偏光分離面の中央部に中間光束が入射するように、言い換えれば2次光源像が形成されるように、それぞれの偏光分離ユニットとそれぞれの集光レンズの位置関係や集光レンズのレンズ特性は設定されている。特に、本例の場合には、それぞれの偏光分離ユニット内の偏光分離面の中央部にそれぞれの集光レンズの中心軸が来るように配置するため、集光レンズアレイ310は、偏光分離ユニットの横幅Wの1/4に相当する距離だけ、偏光分離ユニットアレイ320に対してX方向にずらした状態で配置されている。
【0052】
再び、図1に基づいて説明する。
【0053】
遮光板370は偏光分離ユニットアレイ320と集光レンズアレイ310との間にあって、遮光板370のそれぞれの開口面372の中心とそれぞれの偏光分離ユニット330の偏光分離面331の中心がほぼ一致するように配置され、また、開口面372の開口横幅(X方向の開口幅)は偏光分離ユニット330の横幅Wの約半分の大きさに設定されている。その結果、偏光分離面を経ずして反射面に直接入射する中間光束は、予め遮光板の遮光面で遮られるためほとんど存在せず、遮光板の開口面を通過した光束はそのほとんど全てが偏光分離面にのみ入射することになる。従って、遮光板の設置によって、偏光分離ユニットにおいて、直接反射面に入射し、反射面を経て隣接する偏光分離面に入射する光束はほとんど存在しないことになる。一般に、光源から出射される光束の平行性の程度に応じて、形成される2次光源像の大きさは変化する。そのため、平行性がよい光束を発する光源を用いた場合には形成される2次光源像は小さくなるため、偏光分離ユニットの反射面に直接入射する光束はほとんど存在しないが、平行性が悪い光束を発する光源を用いた場合には2次光源像は大きくなるため、偏光分離ユニットの反射面に直接入射する光束が多く存在し、これらの光束は液晶装置401に併設されている偏光板(図示せず)で吸収され、偏光板の温度上昇を招くこととなる。従って、平行性が悪い光束を発する光源を用いた場合には、遮光板を設置することで、偏光板の温度上昇を防止することができる。
【0054】
偏光分離ユニットアレイ320の出射面の側には、λ/2位相差板381が規則的に配置された選択位相差板380が設置されている。即ち、偏光分離ユニットアレイ320を構成する偏光分離ユニット330のP出射面333の部分にのみλ/2位相差板381が配置され、S出射面334の部分にはλ/2位相差板381は設置されていない(図7を参照)。この様なλ/2位相差板の配置状態により、偏光分離ユニットから出射されたP偏光光束は、λ/2位相差板を通過する際に偏光方向の回転作用を受けS偏光光束へと変換される。一方、S出射面から出射されたS偏光光束はλ/2位相差板を通過しないので、偏光方向は変化せず、S偏光光束のまま選択位相差板を通過する。以上をまとめると、偏光分離ユニットアレイ320と選択位相差板380により、偏光方向がランダムな中間光束は一種類の偏光光束(この場合はS偏光光束)に変換されたことになる。
【0055】
選択位相差板380の出射面の側には、結合レンズ390が配置されており、選択位相差板によりS偏光光束に揃えられた光束は、結合レンズにより液晶装置401の有効画像形成領域へと導かれ、その有効画像形成領域上で重畳結合される。ここで、結合レンズ390は1つのレンズ体である必要はなく、第1の光学要素200のように、複数のレンズの集合体であってもよい。また、前述した集光レンズ311及び光束分割レンズ201のレンズ特性やその配置状態、あるいは、偏光分離ユニット330の偏光分離面や反射面の設置角度によっては、結合レンズを省略することも可能である。
【0056】
第2の光学要素300の機能をまとめると、第1の光学要素200により分割された中間光束202(つまり、光束分割レンズ201により切り出された開口面)は、第2の光学要素300により液晶装置401の有効画像形成領域上で重畳結合される。これと同時に、途中の偏光分離ユニットアレイ320により、ランダムな偏光光束である中間光束は偏光方向が異なる二種類の偏光光束に空間的に分離され、選択位相差板380を通過する際にほぼ一種類の偏光光束に変換される。ここで、偏光分離ユニットアレイ320の入射側には遮光板370が配置され、偏光分離ユニット330の偏光分離面331にだけ中間光束が入射する構成となっているため、反射面332を経て偏光分離面331に入射する中間光束はほとんどなく、偏光分離ユニットアレイ320から出射される偏光光束の種類はほぼ一種類に限定される。従って、液晶装置401の有効画像形成領域は殆ど一種類の偏光光束でほぼ均一に照明されることになる。
【0057】
液晶装置部40は、液晶装置401、液晶装置の入射側(光源側)に配置された平行化レンズ405、液晶装置の出射側(投写レンズ側)に配置された出射側集光レンズ406、液晶装置401の入射側(光源側)に配置されたマイクロレンズアレイ板402から大略構成されている。
【0058】
図9は、液晶装置401及びマイクロレンズアレイ板402の断面構造を示したものである。液晶装置401は、図示しない電極が形成された液晶基板471と、遮光層473及び図示しない電極が形成された対向基板475との間に液晶層472が挟まれた構成となっている。また、マイクロレンズアレイ板402は、マイクロレンズ基板476上に、画素開口部474と1対1で対応するようにマイクロレンズ403が形成された構成となっている。ここで、液晶装置401における画素の配列の仕方は直交マトリックス状であり、画素のX軸方向の配列ピッチとY方向の配列ピッチとは等しく、画素開口部474の形状もほぼ正方形状である。従って、画素開口部474及びマイクロレンズ403の配列の仕方も、X軸方向とY軸方向の配列ピッチが等しい直交マトリックス状である。ここで、偏光分離ユニットアレイ内に形成される2次光源像は、直交マトリックス状に配置され、且つ、X軸方向の配列ピッチとY軸方向の配列ピッチとは等しいことを考慮すると、結局、偏光分離ユニットアレイ320により形成される2種類の2次光源像204、205と液晶装置401の画素開口部474の配列状態は、完全な相似関係になっていることが判る。尚、マイクロレンズ403を対向基板475上に直接形成し、マイクロレンズ基板476を省略した構成としてもよい。また、マイクロレンズは、図9に示したような曲面形状により集光力を得るタイプのものの他に、屈折率分布を形成することにより集光力を得るタイプ(屈折率分布型)のものも使用でき、特に後者の場合には、マイクロレンズアレイ板の表面を平板状とすることができるため、マイクロレンズアレイ板と対向基板とを光学的に一体化でき界面における光損失を低減できるという点で有効である。
【0059】
上記のように構成された液晶装置部40に入射した照明光束は、平行化レンズ405で発散角を抑えられ(一つの光束分割レンズによって形成された光束に着目すると、平行化レンズによってほぼ平行な光束となる。)、液晶装置401に設置されたマイクロレンズアレイ板402に入射し、それぞれのマイクロレンズ403で集光されて、画素開口部474に集光像470を形成する。この集光像470は2次光源像の投影像に他ならないため、以下では3次光源像と呼ぶ。マイクロレンズは画素開口部と1対1で対応するように形成されているが、本例においては、図9に示すように、1つのマイクロレンズによって複数の3次光源像470が、対応する複数の画素開口部474内に形成される。逆に見れば、一つの画素開口部内に形成される3次光源像470は複数のマイクロレンズ403によって形成された光源像である。これは、複数のマイクロレンズ403を一体化しても同じように3次光源像を画素開口部474内に形成することが可能であることを意味し、従って、マイクロレンズ403を画素開口部474に対して1対1で対応するように形成する必要はない。すなわち、マイクロレンズ403の数は、必ずしも液晶装置の画素数と同じにする必要はなく、画素数の整数分の1であってもよい。画素数の整数分の1の数のマイクロレンズ403が形成されたマイクロレンズアレイ板402を用いれば、2次光源像がデルタ状に配列していても、マイクロレンズ403の配列を変化させることなく対応することができる。
【0060】
マイクロレンズアレイ板402の機能をまとめると、偏光分離ユニットアレイ320により形成された2種類の2次光源像204、205は、マイクロレンズ基板476上に形成されたそれぞれのマイクロレンズ403によって液晶装置401の画素開口部474に3次光源像470として結像されたことになる。先に説明したように、偏光分離ユニットアレイ320内に形成された2次光源像の配列の仕方は、液晶装置401の画素開口部474の配列の仕方と同じであるため、全ての2次光源像204、205は3次光源像470となって画素開口部474を通過する。従って、液晶装置401に入射した照明光束の大部分が、遮光層473で遮られることなく液晶装置401を通過することができるため、液晶装置401における光利用効率は非常に高くなる。
【0061】
再び、図1に基づいて説明する。液晶装置部40では、液晶装置401を通過する光束に対して、外部からの表示情報を含ませ光学像を形成する。ここで形成された光学像は投写レンズ50を経てスクリーン60上に投写表示される。液晶装置401の投写レンズ側に配置された出射側集光レンズ430は、液晶装置401を通過した光束を投写レンズに効果的に導くために配置されたものであり、投写レンズの特性によっては省略することができる。しかし、先に述べたマイクロレンズ403の集光作用により、液晶装置401を出射する光束は発散光束となっているため、液晶装置401に隣接させて出射側集光レンズ406を配置し、それらの発散光束を集光して投写レンズ50に導けば、投写レンズ50における光利用効率を向上できるという点で効果がある。
【0062】
このように構成した投写型表示装置1では、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶装置が用いられている。従って、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光束を液晶装置に導くと、ランダムな偏光光束のうちの約半分の光は、偏光板(図示せず)で吸収されて熱に変わってしまうので、光利用効率が悪いと共に、偏光板の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。また、液晶装置においても、遮光層の占める画素あたりの面積割合が画素密度の向上に従い増加するので、遮光層において照明光束が遮られる度合いが大きくなるため、光利用効率が悪いと共に、やはり液晶装置の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置1では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【0063】
すなわち、本例の投写型表示装置1によれば、光源部10から出射されたランダムな偏光光束を、第1の光学要素200と第2の光学要素300により構成される2次光源像形成手段20により、ほぼ一種類の偏光光束に変換すると共に、その偏光方向の揃った光束により液晶装置401の有効画像形成領域を均一に照明でき、明るさムラのない投写画像を得られる効果を有する。また、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを液晶装置401の有効画像形成領域へと導くことができ、さらに、液晶装置401に設置されているマイクロレンズアレイ板402により、液晶装置401に入射した光の多くを液晶装置の遮光層で遮られることなく画素開口部を通過させることができるため、従って、光利用効率が極めて高く、明るい投写画像を得られる効果を有する。
【0064】
また、液晶装置のように偏光光束を用いて表示を行う変調手段を用いて投写型表示装置を構成した場合には、液晶装置401に設置されている偏光板における光吸収量を非常に少なくできるため、偏光板及び変調手段の発熱を抑えるのに必要な冷却装置を大幅に小型化することができる。特に、第2の光学要素300の内部には遮光板370を配置しているため、液晶装置を照明する照明光の中に、液晶装置での表示に不要な他の偏光光束が混入することがほとんどない。それ故、液晶装置の光の入射する側に配置された偏光板における光吸収量は極めて少なく、光吸収による発熱量も極めて少なくなることから、偏光板や液晶装置の温度上昇を抑制するための冷却装置を一層小型化することができる。
【0065】
以上のことから、非常に光出力の大きな光源ランプを用いて、非常に明るい投写画像を表示可能な投写型表示装置を実現しようとした場合にも、小型の冷却装置で対応可能であり、よって冷却装置の騒音を低くすることもでき、静かで高性能な投写型表示装置を実現できる。
【0066】
さらに、横長の矩形形状である液晶装置401の有効画像形成領域の形状に合わせて、第2の光学要素300においては、2種類の偏光光束を横方向(X軸方向)に空間的に分離する形態としている。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶装置を照明するのに都合がよい。
【0067】
一般に、偏光方向がランダムな光束をP偏光光束とS偏光光束とに単純に分離すると、分離後の光束全体の幅は2倍に拡がり、それに応じて光学系も大型化してしまう。しかし、本発明の投写型表示装置では、第1の光学要素により微小な複数の集光像を形成し、それらの形成過程で生じた光の存在しない空間を上手く利用し、その空間に偏光分離ユニットの反射面を配置することにより、2つの偏光光束に分離することに起因して生じる光束の横方向への幅の広がりを吸収しているので、光束全体の幅は広がらず、小型の光学系を実現している。このことは、液晶装置を照明する際に、大きな角度を伴って液晶装置に入射する光が殆どないことを意味している。従って、Fナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズ系を用いなくても明るい投写画像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【0068】
また、第2の光学要素300において2種類の偏光光束を横方向(X軸方向)に分離するのに伴い、第1の光学要素200のそれぞれの光束分割レンズ201により形成された1つの2次光源像203から横方向に列んだ2つの2次光源像203、205を形成することができる。すなわち、第2の光学要素300により2次光源像203は2倍に増加するため、本例の投写型表示装置1では、第2の光学要素300によって Y軸方向の配列ピッチだけを2/3に縮めれば良く、X軸方向の2次光源像の配列ピッチを1/2に縮める必要は無い。従って、レンズの偏心度をそれ程高くする必要がないため、レンズの入射効率が落ちて明るさが減少したり、球面収差が大きくなって像がひずんだりすることがない。
【0069】
(実施例1の変形例1)
実施例1で用いたマイクロレンズアレイ板は、XY平面における外形形状が円形状である一般的なマイクロレンズを用いて構成されていたが、それに代えて、6角形状のマイクロレンズによって構成されたマイクロレンズアレイ板を用いることもできる。図10は、6角形状をなすマイクロレンズ404とそのマイクロレンズ404によって形成される3次光源像470、及び、液晶装置401の画素開口部474の対応状態を示している。尚、本例においては、光束分割レンズ201が4行×4列に配列して構成された第1の光学要素200の使用を想定している。図から判るように、本例においては、液晶装置401の4つの画素に対して1つのマイクロレンズ404が対応する構成となっており、1ヶ所のマイクロレンズ404によって形成される3次光源像470の数は32[セイコー1]個となっている。
【0070】
この様な構成においても、第1の光学要素200を構成する光束分割レンズ201や第2の光学要素300を構成する偏光分離ユニットアレイ320及び集光レンズアレイ310等のレンズ特性や配置状態を調整し、形成される2次光源像の配列状態と画素開口部474の配列状態とを相似関係になるようにすることによって、先の実施例1の場合と同様な効果を期待することができる。
【0071】
加えて、6角形状のマイクロレンズ404を用いてマイクロレンズアレイ板402を構成した場合には、マイクロレンズ404間に隙間を生じることなく、マイクロレンズ404が最密充填されたマイクロレンズアレイ板を構成できるため、マイクロレンズアレイ板402における光利用効率を一層向上させることができる。
【0072】
さらに、液晶装置の中にはデルタ状に画素が配置したものがあり、そのような液晶装置は、1つの液晶装置の画素上に3色のカラーフィルターを搭載してカラー画像を表示する単板方式の投写型表示装置に用いられることが多いが、この様な液晶装置に対しては、マイクロレンズの配列状態と画素開口部の配列状態を一致させ易いことから、本例の6角形状のマイクロレンズによって構成されたマイクロレンズアレイ板の使用が最適である。
【0073】
(実施例1の変形例2)
レンズの曲面形状がトーリック形状であるマイクロレンズによって構成されたマイクロレンズアレイ板402を用いることもできる。トーリック形状のレンズとは、レンズの曲率形状がX軸方向とY軸方向とで異なる曲面形状を有するレンズのことである。この種のレンズを用いれば、マイクロレンズによって形成される3次光源像474の配列状態をX軸方向とY軸方向とで独立に変化させることができるため、第1の光学要素200及び第2の光学要素300によって形成される2次光源像の配列状態を液晶装置401の画素開口部474の配列状態と一致させる必要がない。例えば、2次光源像のX軸方向の配列ピッチとY軸方向の配列ピッチの比が1:3/4、つまり、第1の光学要素における光束分割レンズのX軸方向とY軸方向との配列ピッチの比と等しい状態であってもよい。その場合のは、第1の光学要素200を全て同心レンズによって構成することができるため、第2の光学要素の集光レンズアレイと第1の光学要素を同一のレンズアレイ体で兼用することができるため、光学系の低コスト化を達成することができる。
【0074】
(実施例2)
実施例1に示した投写型表示装置1を基本として、3枚の透過型の液晶装置を用いた3板式の投写型表示装置を構成することもできる。
【0075】
図11は、本例の投写型表示装置2の光学系の要部を示した概略構成図であり、XZ平面における構成を示している。本例の投写型表示装置2は、実施例1に示した投写型表示装置1を基本として、そこに、白色光束を3色の色光に分離する色光分離手段、及び、3色の色光を合成しカラー画像を形成する色光合成手段をを加え、それぞれの色光を表示情報に基づいて変調し表示画像を形成する透過型の液晶装置を3ヶ所に増やした構成となっている。
【0076】
本例の投写型表示装置2は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部10を備え、この光源部10から出射されたランダムな偏光光束は、2次光源像形成手段20によりほぼ一種類の偏光光束(本例の場合はS偏光光束)に変換される。
【0077】
この2次光源像形成手段20から出射された光束は、まず、色光分離手段である青光緑光反射ダイクロイックミラー461において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー463で反射され、平行化レンズ417を経て赤光用液晶装置411に達する。一方、青色光及び緑色光のうち、緑色光は、やはり色光分離手段である緑光反射ダイクロイックミラー462によって反射され、平行化レンズ418を経て緑光用液晶装置412に達する。ここで、青色光は各色光のうちで光路の長さが最も長いので、青色光に対しては、入射レンズ431、リレーレンズ432、及び出射レンズ433からなるリレーレンズ系で構成された導光手段430を設けてある。即ち、青色光は、緑光反射ダイクロイックミラー462を透過した後に、まず、入射レンズ431を経て反射ミラー435により反射されてリレーレンズ432に導かれ、このリレーレンズに集束された後、反射ミラー436によって出射レンズ433に導かれ、しかる後に、平行化レンズ419を経て青光用液晶装置413に達する。3ヶ所の液晶装置411、412、413の光が入射する側に配置されている平行化レンズ417、418、419は、実施例1で説明したように、2次光源像形成手段20からのそれぞれの照明光束を平行化するために設置されている。尚、青光用液晶装置413に併設されている平行化レンズ419と導光手段の出射レンズ433とを一体化したレンズを用いてもよい。
【0078】
3ヶ所の液晶装置411、412、413には、光が入射する側にマイクロレンズアレイ板421、422、423がそれぞれ配置されており、2次光源像形成手段20内に形成された2次光源像は、それぞれの液晶装置の対応する画素開口部(図示せず)内に3次光源像として伝達される。すなわち、それぞれの液晶装置に入射した照明光束は、液晶装置411、412、413の遮光層(図示せず)で遮られることなく、そのほとんどが液晶装置411、412、413の画素開口部(図示せず)を通過する。
【0079】
3ヶ所の液晶装置411、412、413は、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した画像情報を含ませた後に、変調した色光を色光合成手段であるクロスダイクロイックプリズム450に入射する。クロスダイクロイックプリズム450には、赤光反射の誘電体多層膜と青光反射の誘電体多層膜とが十字状に形成されており、それぞれの変調光束を合成しカラー画像を形成する。ここで形成されたカラー画像は、投写光学系である投写レンズ50によりスクリーン60上に拡大投影され、投写画像を形成することになる。
【0080】
このように構成した投写型表示装置2では、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶装置が用いられている。従って、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光束を液晶装置に導くと、ランダムな偏光光束のうちの約半分の光は、偏光板(図示せず)で吸収されて熱に変わってしまうので、光の利用効率が悪いと共に、偏光板の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。また、液晶装置においても、遮光層の占める画素あたりの面積割合が画素密度の向上に従い増加するので、遮光層において照明光束が遮られる度合いが大きくなるため、光利用効率が悪いと共に、やはり液晶装置の発熱を抑える大型で騒音の大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置2では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【0081】
即ち、本例の投写型表示装置2では、光源部10から出射されたランダムな偏光光束を、2次光源像形成手段20において、ほぼ一種類の偏光光束に変換し、その偏光方向の揃った光束によって3ヶ所の液晶装置411、412、413を照明するため、3ヶ所の液晶装置に併設された偏光板における光吸収は非常に少ない。また、それらの偏光光束は液晶装置の有効画像形成領域上で重畳結合されるため、有効画像形成領域は均一に照明される。さらに、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを3ヶ所の液晶装置へと導くことができ、さらにまた、3ヶ所の液晶装置に設置されているマイクロレンズアレイ板421、422、423により、液晶装置に入射した光の多くを液晶装置の遮光層で遮られることなく画素開口部を通過させることができる。従って、光利用効率が極めて高く、明るく、明るさムラのない投写画像を得ることができる。
【0082】
また、液晶装置に併設された偏光板における光吸収を極めて少なくできることから、光吸収による発熱も抑えられ、偏光板や液晶装置の温度上昇を抑制するための冷却装置を大幅に小型化することができる。特に、2次光源像形成手段20には遮光板370を配置しているため、平行性の悪い光束を出射する光源を光源部に用いた場合においても、光源部から出射される照明光の中に液晶装置での表示に不要な他の偏光光束が混入することがほとんどない。従って、平行性の悪い光束を出射する光源を用いた場合でも、上記の優れた特徴を発揮することができる。
【0083】
以上のことから、非常に光出力の大きな光源ランプを用いて、非常に明るい投写画像を表示可能な投写型表示装置を実現しようとした場合にも、小型の冷却装置で対応可能であり、よって冷却装置の騒音を低くすることもでき、静かで高性能な投写型表示装置を実現できる。
【0084】
さらに、第2の光学要素300においては、2種類の偏光光束を横方向(X方向)に空間的に分離している。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶装置を照明するのに都合がよい。
【0085】
先の実施例1に関して説明したように、本例の投写型表示装置2では、偏光変換光学要素を組み入れているにもかかわらず、偏光分離ユニットアレイ320を出射する光束の幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶装置を照明する際に、大きな角度を伴って液晶装置に入射する光が殆どないことを意味している。従って、Fナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズ系を用いなくても明るい投写画像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【0086】
また、第2の光学要素300において2種類の偏光光束を横方向(X軸方向)に分離するのに伴い、第1の光学要素200のそれぞれの光束分割レンズ201により形成された1つの2次光源像203から横方向に列んだ2つの2次光源像203、205を形成することができる。すなわち、第2の光学要素300により2次光源像203は2倍に増加するため、本例の投写型表示装置1では、第2の光学要素300によってY軸方向の配列ピッチだけを2/3に縮めれば良く、X軸方向の2次光源像の配列ピッチを1/2に縮める必要は無い。従って、レンズの偏心度をそれ程高くする必要がないため、レンズの入射効率が落ちて明るさが減少したり、球面収差が大きくなって像がひずんだりすることがない。 また、本例では、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズム450を用いているので、装置の小型化が可能である。また、液晶装置411、412、413と投写レンズ系との間の光路の長さが短いので、比較的小さな口径の投写レンズ系を用いても、明るい投写画像を実現できる。また、各色光は、3光路のうちの1光路のみ、その光路の長さが異なるが、本例では光路の長さが最も長い青色光に対しては、入射レンズ431、リレーレンズ432、及び出射レンズ433からなるリレーレンズ系で構成した導光手段430を設けてあるので、色ムラなどが生じない。
【0087】
尚、2枚のダイクロイックミラーを色光合成手段として用いたミラー光学系により投写型表示装置を構成することもできる。勿論、その場合においても本例の偏光照明装置を組み込むことが可能であり、本例の場合と同様に、光の利用効率に優れた明るい高品位の投写画像を形成することができる。
【0088】
(実施例3)
実施例1に示した投写型表示装置1を基本として、3枚の反射型の液晶装置を用いた3板式の投写型表示装置を構成することもできる。
【0089】
図12は、本例の投写型表示装置3の光学系の要部を示した概略構成図であり、XZ平面における構成を示している。本例の投写型表示装置3は、実施例1に示した投写型表示装置1を基本として、そこに、偏光方向に応じて光束の出射方向を変える偏光ビームスプリッタと、白色光束を3色の色光に分離する色光分離手段、及び、3色の色光を合成しカラー画像を形成する色光合成手段を加え、透過型の液晶装置に代えて反射型の液晶装置を3つ用いた構成となっている。
【0090】
本例の投写型表示装置3は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部10を備え、この光源部10から出射されたランダムな偏光光束は、2次光源像形成手段20によりほぼ一種類の偏光光束(本例の場合はS偏光光束)に変換される。
【0091】
この2次光源像形成手段20から出射された光束は、偏光ビームスプリッタ480に入射し、偏光分離面481で反射され進行方向を略90度変えられ、隣接するクロスダイクロイックプリズム450へ入射する。ここで、2次光源像形成手段20から出射される光束の大部分はS偏光光束であるが、僅かながらS偏光光束とは偏光方向が異なる偏光光束(本例の場合はP偏光光束)が混入している場合があり、その偏光方向が異なる偏光光束(P偏光光束)は偏光分離面481をそのまま通過し、偏光ビームスプリッタ480から出射される(このP偏光光束は液晶装置を照明する照明光とはならない)。
【0092】
クロスダイクロイックプリズム450に入射したS偏光光束は、クロスダイクロイックプリズム450により波長に応じて赤色光、緑色光、及び青色光の3つの光束に分離され、平行化レンズ417、418、419を経て、それぞれ対応する反射型の赤色光用液晶装置414、反射型の緑色光用液晶装置415、及び反射型の青色光用液晶装置416に入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム450は、液晶装置を照明する照明光に対しては色光分離手段として機能している。3ヶ所の液晶装置414、415、416には、光が入射する側にマイクロレンズアレイ板421、422、423がそれぞれ配置されており、照明光束はマイクロレンズアレイ板上のマイクロレンズによって集光された状態で画素開口部(図示せず)に入射する。
【0093】
ここで、本例で用いている液晶装置414、415、416は反射型であるため、それぞれの液晶装置においてそれぞれの色光を変調し、各色光に対応した外部からの表示情報を含ませると同時に、それぞれの液晶装置から出射される光束の偏光方向を変化させ、且つ、光束の進行方向を略反転させている。従って、それぞれの液晶装置からの反射光は表示情報に応じて部分的にP偏光状態となって出射される。それぞれの液晶装置414、415、416から出射された変調光束(P偏光光束が主体となる)は、再び、マイクロレンズアレイ板421、422、423と平行化レンズ417、418、419を経て、クロスダイクロイックプリズム450に入射し、一つの光学像に合成されて、隣接する偏光ビームスプリッタ480に再度入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム450は液晶装置から出射される変調光束に対しては色光合成手段として機能している。
【0094】
偏光ビームスプリッタ480に入射した光束のうち、液晶装置414、415、416で変調された光束はP偏光光束となっているため、偏光ビームスプリッタ480の偏光分離面481をそのまま通過し、投写レンズ50を経てスクリーン60上に画像を形成する。
【0095】
このように構成した投写型表示装置3においても、先の投写型表示装置2の場合と同様に、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶装置が用いられている。従って、ランダムな偏光光束を照明光とする従来の照明装置を用いた場合には、偏光ビームスプリッタ480で分離され反射型の液晶装置に導かれる光束量は、ランダムな偏光光束のうちの約半分に減少してしまうので、光の利用効率が悪く明るい投写画像を得難いという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置3では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【0096】
即ち、本例の投写型表示装置3では、光源部10から出射されたランダムな偏光光束を、2次光源像形成手段20において、ほぼ一種類の偏光光束に変換しているため、偏光ビームスプリッタ480に入射する光束は、そのほとんど全てが照明光束として3ヶ所の反射型の液晶装置414、415、416に導かれる。また、それらの偏光光束は液晶装置の有効画像形成領域上で重畳結合されるため、有効画像形成領域は均一に照明される。さらに、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを3ヶ所の液晶装置へと導くことができ、さらにまた、3ヶ所の液晶装置に設置されているマイクロレンズアレイ板421、422、423により、液晶装置に入射した光の多くを液晶装置の遮光層(図示せず)で遮られることなく画素開口部に導くことができる。従って、光利用効率が極めて高く、明るく、明るさムラのない投写画像を得ることができる。
【0097】
さらに、第2の光学要素300においては、2種類の偏光光束を横方向(X方向)に空間的に分離している。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶装置を照明するのに都合がよい。
【0098】
先の実施例1に関して説明したように、本例の投写型表示装置3では、偏光変換光学要素を組み入れているにもかかわらず、偏光分離ユニットアレイ320を出射する光束の幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶装置を照明する際に、大きな角度を伴って液晶装置に入射する光が殆どないことを意味している。従って、Fナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズ系を用いなくても明るい投写画像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【0099】
また、第2の光学要素300において2種類の偏光光束を横方向(X軸方向)に分離するのに伴い、第1の光学要素200のそれぞれの光束分割レンズ201により形成された1つの2次光源像203から横方向に列んだ2つの2次光源像203、205を形成することができる。すなわち、第2の光学要素300により2次光源像203は2倍に増加するため、本例の投写型表示装置1では、第2の光学要素300によって Y軸方向の配列ピッチだけを2/3に縮めれば良く、X軸方向の2次光源像の配列ピッチを1/2に縮める必要は無い。従って、レンズの偏心度をそれ程高くする必要がないため、レンズの入射効率が落ちて明るさが減少したり、球面収差が大きくなって像がひずんだりすることがない。
【0100】
一般に、反射型の液晶装置では、画素密度を向上させた場合においても、透過型の液晶装置に比べて、ある程度高い開口率を確保し易い特徴がある。しかし、反射型の液晶装置において、画素密度を非常に高くし、画素自体を小さくした場合には、横電界効果による隣接画素への影響が避けられないため、遮光層の割合を増やし、画素開口部を小さくしなければならない。従って、反射型の液晶装置を用いた場合においても、本発明の光学的な構成は十分その優れた特徴を発揮することができる。
【0101】
尚、本例では、色光分離手段及び色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズムを用いているが、それに代えて2枚のダイクロイックミラーを用いることによっても投写型表示装置を構成することができる。勿論、その場合においても本例の偏光照明装置を組み込むことが可能であり、本例の場合と同様に、光の利用効率に優れた明るく高品位の投写画像を形成することができる。
【0102】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液晶装置等の変調手段の各画素開口部に入射する光束の光量を大幅に増加させることができる。従って、変調手段における光利用効率を大幅に向上でき、明るく、明るさムラのない投写画像が得られる投写型表示装置を実現できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図2】本発明の実施例1に係る第1の光学要素の斜視図である。
【図3】第1の光学要素を構成する光束分割レンズのレンズ光軸の位置を示す図である。
【図4】第1の光学要素によって形成された2次光源像の配列状態を示す図である。
【図5】本発明の実施例1に係る遮光板の斜視図である。
【図6】本発明の実施例1に係る偏光分離ユニットアレイの斜視図である。
【図7】本発明の実施例1に係る偏光分離ユニットの機能を説明するための図である。
【図8】偏光分離ユニットアレイの内部に形成された2次光源像を液晶装置側から見た場合の配列状態を示す図である。
【図9】本発明の実施例1のマイクロレンズアレイ板を設置した液晶装置の概略構造を示す断面図である。
【図10】本発明の実施例1の変形例1において、液晶装置部のマイクロレンズと3次光源像、及び画素開口部の位置関係を説明するための図である。
【図11】本発明の実施例2に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図12】本発明の実施例3に係る投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1、2、3 投写型表示装置
10 光源部
20 2次光源像形成手段
40 液晶装置部
50 投写レンズ
60 スクリーン
101 光源ランプ
102 放物面リフレクター
200 第1の光学要素
201 光束分割レンズ
202 中間光束
203 集光像(2次光源像)
204 P偏光光束による2次光源像
205 S偏光光束による2次光源像
210 レンズ光軸
300 第2の光学要素
310 集光レンズアレイ
311 集光レンズ
320 偏光分離ユニットアレイ
330 偏光分離ユニット
331 偏光分離面
332 反射面
333 P出射面
334 S出射面
335 P偏光光束
336 S偏光光束
370 遮光板
371 遮光面
372 開口面
380 選択位相差板
381 λ/2位相差板
390 結合レンズ
401 液晶装置
402 マイクロレンズアレイ板
403、404 マイクロレンズ
405 平行化レンズ
406 出射側集光レンズ
411 赤光用液晶装置(透過型)
412 緑光用液晶装置(透過型)
413 青光用液晶装置(透過型)
414 赤光用液晶装置(反射型)
415 緑光用液晶装置(反射型)
416 青光用液晶装置(反射型)
417、418、419 平行化レンズ
421、422、423 マイクロレンズアレイ板
430 導光手段
431 入射レンズ
432 リレーレンズ
433 出射レンズ
435、436 反射ミラー
450 クロスダイクロイックプリズム
461 青光緑光反射ダイクロイックミラー
462 緑光反射ダイクロイックミラー
463 反射ミラー
470 3次光源像
471 液晶基板
472 液晶層
473 遮光層
474 画素開口部
475 対向基板
476 マイクロレンズ基板
480 偏光ビームスプリッタ
481 偏光分離面
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration of a projection display device that enlarges and displays an image formed on a liquid crystal device on a screen.
[0002]
[Prior art]
As an optical system of a projection display device, important problems to be solved include improvement of light use efficiency and uniform illuminance distribution of illumination light. This is because it is possible to realize a brighter display state by improving the light use efficiency and a display state free from uneven brightness by making the illuminance distribution uniform.
[0003]
Here, as a representative example of a technique for improving the uniformity of illumination light, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 3-111806, an optical system that divides light from a light source into a plurality of intermediate light beams ( One using an integrator optical system) is known.
[0004]
On the other hand, in an element having a pixel such as a liquid crystal device, an area ratio (aperture ratio) per pixel occupied by a pixel opening through which light passes is reduced as the pixel density is increased. Techniques for improving the rate are known. That is, the illumination light beam is divided by each microlens arranged corresponding to the pixel opening portion, and the divided light fluxes are respectively condensed and passed through the pixel opening portion in a state in which the light beam diameter is narrowed. The light transmittance (that is, light utilization efficiency) is improved. As a result, light utilization efficiency can be improved and a bright image can be obtained.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even if the modulation element in which the microlens is arranged in this way is simply adopted in a projection display apparatus employing the integrator optical system, the light source image formed by the lens plate constituting the integrator optical system and the modulation element Since the pixel arrangement does not match, the projected image becomes non-uniform as a result, and a bright image cannot be obtained.
[0006]
Therefore, the present invention pays attention to the property of light required by the modulation element, and effectively guides the light emitted from the light source to the pixel opening of the modulation element to greatly improve the light utilization efficiency. It is an object of the present invention to propose a projection display device that can obtain a bright and uniform projection image.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first projection display device of the present invention provides:
A first secondary light source image forming unit that forms a plurality of first secondary light source images on substantially the same plane from light emitted from the light source, and the first 2 on substantially the same plane. The second secondary light source image forming means for forming a second secondary light source image obtained by doubling the plurality of first secondary light source images formed by the secondary light source image forming means on substantially the same plane. A tertiary light source image forming means for forming a tertiary light source image from the second secondary light source image formed by the second secondary light source image forming means, and a third light source image forming means emitted from the tertiary light source image forming means. Modulation means for modulating light by pixels, and the ratio of the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the tertiary light source image is such that the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the pixels are The optical characteristics of the first secondary light source image forming means or the tertiary light source image forming means are substantially the same as the ratio of Characterized in that it is a constant.
[0008]
According to said structure, since the two secondary light source image formation means are used, it becomes possible to reduce the brightness nonuniformity of a projection image significantly. In addition, the first light source image has a ratio between the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the tertiary light source image (hereinafter simply referred to as “arrangement pitch ratio”) substantially equal to the pixel arrangement pitch ratio. Since the optical characteristics of the secondary light source image forming means or the tertiary light source image forming means are determined, it is possible to effectively guide the light emitted from the light source to the pixel opening of the modulation element, and an extremely bright projected image Can be obtained.
[0009]
In the first projection display device, the ratio of the arrangement pitch of the second secondary light source images is substantially the same as the ratio of the arrangement pitch of the pixels, or the vertical pitch of the first secondary light source image. The optical characteristics of the first secondary light source image forming means so that the ratio between the half of the arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch is substantially the same as the ratio of the pitch of the pixels of the modulation means. Is determined, any tertiary light source image forming means can be used only by changing the optical characteristics of the first secondary light source image forming means.
[0010]
That is, the tertiary light source image forming means is generally formed of a microlens, but if the optical characteristics of the first secondary light source image forming means are changed, there is no general toric curved surface. A microlens having a typical spherical shape can be used, and the microlens can be easily manufactured.
[0011]
In the first projection display device, the first secondary light source image forming unit includes a plurality of rectangular light beam splitting lenses arranged on substantially the same plane, and the aspect ratio of the light beam splitting lens is What is substantially the same as the aspect ratio of the illuminated area of the modulating means can be employed. In this way, when the aspect ratio of the light beam splitting lens is set in accordance with the aspect ratio of the illuminated area set slightly larger than the effective image forming area of the modulation means, each image formed by the light beam splitting lens is respectively It can be superimposed on the illuminated area with approximately the same size as the illuminated area. Therefore, it is possible to obtain a projection image with a more uniform illumination distribution in the illuminated area of the modulation means and less brightness unevenness.
[0012]
Furthermore, in the first projection display device, a color separation unit that separates light emitted from the light source into two or more color lights, and a plurality of the modulations that respectively modulate the color lights separated by the color light separation unit And color reproducibility by providing a color light combining means for combining the color lights modulated by the respective modulation means and a projection optical system for projecting the color light combined by the combining means. A small projection display device capable of displaying a color image with high resolution can be realized.
[0013]
Next, a second projection display apparatus of the present invention includes a light source, a light beam splitting unit that splits an incident light beam from the light source into a plurality of intermediate light beams, and forms a plurality of light source images, and a plurality of the intermediate light beams. A polarization generating means comprising: a polarization separating means for separating each of the light beams into polarized light beams having two types of polarization directions; and a polarization conversion means for aligning the polarization directions of the two types of polarized light beams separated by the polarization separation means; A modulation unit having a microlens disposed on the polarization generation unit side, the modulation unit including a plurality of pixels, and a vertical arrangement pitch and a horizontal arrangement pitch of a light source image formed by the microlens, The optical characteristics of the light beam splitting means or the microlens are determined so that the ratio of the luminous flux becomes substantially the same as the ratio of the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the pixels. .
[0014]
According to the above configuration, the projection display apparatus of the present invention divides a random polarized light beam emitted from the light source into a plurality of light beams, and each of the light beams is converted into a polarized light beam having almost one kind of polarization direction. After the conversion, the modulation means is illuminated by superimposing on the modulation means, so that the modulation means can be illuminated uniformly with a light beam having a uniform polarization direction, and the polarized light beam incident on the modulation means The microlens attached to the light is condensed again while being divided into a plurality of light beams, and is guided onto the pixels of the modulation means, so that the light utilization efficiency in the modulation means can be extremely increased. In addition, there is almost no light loss in the generation process of the polarized light flux. Therefore, the light use efficiency in the projection display device can be made extremely high, and a projection display device that can display a bright projection image without uneven brightness can be realized. Therefore, even when trying to realize a projection display device capable of displaying a very bright projected image using a light source lamp having a very large light output, the cooling device for preventing the temperature rise of the modulation means is small. Therefore, it is possible to realize a small projection display device that is quiet and quiet.
[0015]
Here, a transmissive or reflective liquid crystal device or the like can be used as the modulation means.
[0016]
In addition, the light source section is generally composed of a light source lamp and a reflector, and as a light source lamp, a metal halide lamp, a xenon lamp, a halogen lamp, etc., and as a reflector, a parabolic reflector, an elliptical reflector, A spherical reflector or the like can be used.
[0017]
The above configuration employs a mechanism that transmits a light source image (secondary light source image) formed by the polarization generating means as a new light source image (tertiary light source image) onto the pixels of the modulation means by the microlens. It is not always necessary to form the microlens so that the microlens formed on the microlens array plate has a one-to-one correspondence with the pixels of the modulation means. That is, the number of microlenses on the microlens array plate need not necessarily match the number of pixels of the modulation means, and the number of microlenses may be an integral number of the number of pixels of the modulation means. In this case, a plurality of secondary light source images are transmitted onto a plurality of pixels by one microlens.
[0018]
The microlens can be easily obtained by cutting, press molding, and optical molding the surface of a glass material, a transparent crystallized glass material, and a resin material.
[0019]
In addition, the microlens may be manufactured once on another substrate (microlens array plate) and attached to the modulation means as a microlens array plate, but it is integrated with a part of the substrate constituting the modulation means from the beginning. In this case, the modulation means can be reduced in thickness and cost.
[0020]
In the second projection display device, a plurality of light source images formed by the polarization generating means are arranged so that the ratio of the arrangement pitch of the light source images and the ratio of the arrangement pitch of the pixels are substantially the same. Adopting the optical characteristics of the beam splitting lens so that the ratio of the half of the vertical array pitch of the light source image and the horizontal array pitch is substantially the same as the ratio of the pixel array pitch can do.
[0021]
The optical characteristics of the light beam splitting means are, for example, that the light beam splitting means is composed of a lens plate partially or entirely composed of decentered lenses, or a first lens plate consisting of a plurality of concentric lenses and a plurality of cylindrical lenses. It can be easily changed by combining with the second lens plate. By using such a lens, the formation position of the condensed image (secondary light source image) can be freely controlled, so that the arrangement of the condensed image can easily correspond to the arrangement of the pixels of the modulation means. Because it can.
[0022]
Thereby, a microlens having a general spherical shape without a toric curved surface can be used, and the production of the microlens is facilitated.
[0023]
In the second projection display device, the first secondary light source image forming unit includes a plurality of rectangular light beam splitting lenses arranged on substantially the same plane, and the aspect ratio of the light beam splitting lens of the scene is What is substantially the same as the aspect ratio of the illuminated area of the modulating means can be employed. In this way, when the aspect ratio of the light beam splitting lens is set in accordance with the aspect ratio of the illuminated area set slightly larger than the effective image forming area of the modulation means, each image formed by the light beam splitting lens is respectively It can be superimposed on the illuminated area with approximately the same size as the illuminated area. Therefore, it is possible to obtain a projection image with a more uniform illumination distribution in the illuminated area of the modulation means and less brightness unevenness.
[0024]
On the other hand, in the second projection display device, when the optical characteristics of the light beam splitting lens are not changed, a part or all of the microlens may be a toric lens. In the toric lens, the X-axis direction and the Y-axis direction have different lens curvatures. Therefore, when transmitting the secondary light source image, the intervals of the secondary light source image arrangement are respectively in the X-axis direction and the Y-axis direction. Can be changed independently. Therefore, even when the arrangement of the secondary light source images and the arrangement of the pixels of the modulation means are not similar, the secondary light source image can be transmitted onto the pixels of the modulation means. This has the effect of improving the degree of freedom. Also, with this configuration, the first optical element that is the light beam splitting means and the condensing lens array can be shared by the same lens array body, so that the cost of the optical system can be reduced.
[0025]
In the second projection display device, the polarization separation means is formed in parallel with the polarization separation surface that separates each of the plurality of intermediate light beams into polarized light beams having two types of polarization directions, and the polarization separation surface In addition, a plurality of polarization separation units having a reflection surface for emitting one of the two types of polarized light beams separated by the polarization separation surface in substantially the same direction as the emission direction of the other polarized light beam can be provided. .
[0026]
By employing such a polarization separation means, it becomes possible to perform polarization separation in a small space, and the projection display device can be miniaturized.
[0027]
Note that in such a configuration using the polarization separation means, a parallelizing lens for collimating the light beam emitted from the polarization generation device may be disposed between the polarization generation device and the modulation means. it can. In that case, the condensing performance of the microlens can be improved, and therefore the size of the formed tertiary light source image can be reduced, and the tertiary light source image can be more easily formed on the pixel of the polarizing means. Therefore, there is an effect that the light utilization efficiency in the modulation means can be further improved.
[0028]
Further, in order to condense and guide the intermediate light beams emitted from the light beam dividing means to the polarization separating means, the same number of light collecting lenses as the light beam dividing lenses constituting the light beam dividing means are arranged in a two-dimensional manner. The condensing lens array can be arranged between the beam splitting means and the polarization separating means. In this case, each intermediate light beam can be efficiently guided to a specific place on each polarization separation unit, and there is an effect that the light utilization efficiency in the polarization generating means can be further improved. Note that the condensing lens array can be integrated with the polarization separating means, and in this case, there is an effect that light loss at the interface can be reduced.
[0029]
Further, a coupling lens for superimposing and coupling a polarized light beam having the same polarization direction emitted from the polarization generation unit on the modulation unit can be arranged between the polarization generation unit and the modulation unit. In that case, there is an effect of facilitating the superposition coupling on the modulation means of the polarized light beam having the same polarization direction. Further, there is also a secondary effect that the size of the illumination area on the modulation means can be easily changed by changing the lens characteristics (magnification) of the coupling lens.
[0030]
Furthermore, a light-shielding plate for allowing each of the intermediate light beams emitted from the light beam splitting means to enter only the portion of the polarization splitting surface of each polarization splitting unit is disposed between the beam splitting means and the polarization splitting unit. It can be configured. In that case, the intermediate light beam directly incident on the reflection surface of the polarization separation unit can be eliminated and the intermediate light beam can be guided only to the polarization separation surface. It is possible to prevent a polarized light beam having Therefore, when a liquid crystal device is used as the modulation means, the amount of light absorption by the polarizing plate provided in the liquid crystal device can be reduced, and the temperature rise of the liquid crystal device and the polarizing plate can be prevented. Furthermore, it is possible to use a light source that emits outgoing light with poor parallelism by installing a light shielding plate. The light shielding plate can also be integrated with the condenser lens array or the polarization separating means, and in this case, there is an effect that the optical system can be miniaturized.
[0031]
In the second projection display device, a microlens composed of a gradient index microlens may be employed. In that case, since the surface of the microlens array plate can be flattened, the microlens array plate and the modulation means can be easily integrated, and light loss at the interface between the microlens array plate and the modulation means can be reduced. There is an effect that can be reduced.
[0032]
Alternatively, a close-packed microlens may be employed. In this case, since the lenses can be arranged without a gap, there is an effect that the light utilization efficiency in the microlens array plate can be further improved.
[0033]
The microlens array plate may be integrated with the modulation means. In that case, since the optical loss at the interface between the microlens array plate and the modulation means can be reduced, the light utilization efficiency in the modulation means can be further improved. In particular, if the microlens array plate and the substrate constituting the modulation means are the same substrate, the modulation means can be made thinner.
[0034]
Further, in the second projection display device, color light separating means for separating light emitted from the light source into two or more color lights, and a plurality of the modulation means for modulating each color light separated by the color light separating means, respectively. And color light synthesizing means for synthesizing the respective color lights modulated by the respective modulation means and a projection optical system for projecting the respective color lights synthesized by the color synthesizing means. It is possible to realize a small projection display device that can display a color image with high resolution.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, for convenience, three directions orthogonal to each other are defined as an X-axis direction (lateral direction), a Y-axis direction (vertical direction), and a Z-axis direction (system optical axis direction). Moreover, in each Example, the part which has the same function is attached | subjected the same code | symbol, and duplication of description is avoided.
[0036]
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the optical main part of a projection display device to which the present invention is applied in a plan view. The projection display device 1 of this example includes a light source unit 10 and a secondary light source image forming unit 20 arranged along the system optical axis L (Z-axis direction), a liquid crystal device unit 40 as a modulation unit, and a projection optical system. The projection lens 50 is generally configured. The randomly polarized light beam emitted from the light source unit 10 is converted into one type of polarized light beam whose polarization directions are substantially uniform by the secondary light source image forming unit 20, illuminates the liquid crystal device unit 40, and is projected through the projection lens 50. It reaches the screen 60 which is a surface. Note that a transmissive liquid crystal device is used in the liquid crystal device portion of this example.
[0037]
The light source unit 10 is generally composed of a light source lamp 101 and a parabolic reflector 102, and light emitted from the light source lamp is reflected in one direction by the parabolic reflector 102 to become a substantially parallel light beam. The light enters the secondary light source image forming means 20. Here, the light source optical axis R of the light source unit 10 is parallel-shifted in the X direction by a certain distance D (corresponding to 1/4 of the lateral width of the light beam splitting lens) with respect to the system optical axis L. The light source unit 10 is arranged.
[0038]
Next, the secondary light source image forming unit 20 includes a first optical element 200 as a beam splitting unit and a second optical element 300 that mainly functions as a polarization generating unit.
[0039]
As shown in FIG. 2, the first optical element 200 is configured by arranging a plurality of light beam splitting lenses 201 having a rectangular outer shape (opening shape) on an XY plane in an orthogonal matrix. . The positional relationship between the light source unit 10 and the first optical element 200 is set so that the light source optical axis R is at the center of the first optical element 200. The light incident on the first optical element 200 is split into a plurality of intermediate light beams 202 by the light beam splitting lens 201, and at the same time in a plane perpendicular to the system optical axis L (XY in FIG. The same number of condensing images (secondary light source images) 203 as the number of light beam splitting lenses are formed at the position where the intermediate light beam on the plane is converged. Since this condensed image is nothing but the light source image formed through the beam splitting lens, it will be referred to as a secondary light source image below.
[0040]
The outer shape of the light beam splitting lens 201 on the XY plane is set to be similar to the shape of the illuminated region of the liquid crystal device 401 constituting the liquid crystal device unit 40. In this example, it is assumed that the liquid crystal device has a horizontally long effective image forming region (vertical: horizontal aspect ratio is 3: 4) long in the X direction on the XY plane. The illuminated area is an area on which the light source image is to be projected on the liquid crystal device 401, and is usually set slightly larger than the effective image forming area in order to provide a margin for the effective image forming area of the liquid crystal device. ing. If the aspect ratio of the light beam splitting lens is set in accordance with the aspect ratio of the illuminated area, the individual images formed by the luminous flux dividing lens can be superimposed on the illuminated area in approximately the same size as the illuminated area. it can. Therefore, it is possible to obtain a projection image with a more uniform illumination distribution in the illuminated area of the modulation means and less brightness unevenness. In this example, the vertical: horizontal aspect ratio of the illuminated area is set to 3: 4. Therefore, the vertical: horizontal aspect ratio of the light beam splitting lens 201 is also set to approximately 3: 4. Therefore, the ratio of the arrangement pitch in the X-axis direction and the arrangement pitch in the Y-axis direction of the light beam splitting lens is 1: 3/4.
[0041]
Further, the arrangement of the beam splitting lenses is not limited to the orthogonal matrix as shown in FIG. For example, a so-called delta arrangement in which the rows of the light beam splitting lenses constituting the even rows are shifted in the X-axis direction from the rows of the light flux splitting lenses constituting the odd rows may be employed.
[0042]
An eccentric lens is used as a part of the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element, and the formation position of the secondary light source image formed by the light beam splitting lens is adjusted. FIG. 3 is a diagram showing the position of the lens optical axis in each light beam splitting lens. In FIG. 3, only the light beam splitting lens constituting the third row is a general concentric lens (the lens optical axis is set at the center of the lens). The other light beam splitting lenses constituting the first, second, fourth, and fifth rows are all decentered lenses in which the lens optical axis 210 is shifted in the Y-axis direction. However, the lens characteristics of a series of light beam splitting lenses constituting the same row are all the same. As a result, a series of secondary light source images are formed in an orthogonal matrix as shown in FIG. 4 (when the secondary light source image forming means 20 is viewed from the light source unit 10 side). However, the ratio of the arrangement pitch in the X-axis direction and the arrangement pitch in the Y-axis direction of the secondary light source image is 1: 1/2, and the ratio between the X-axis direction and the Y-axis direction of the light beam splitting lens in the first optical element is This is different from the arrangement pitch ratio (1: 3/4). This is because an eccentric lens whose lens optical axis is shifted in the Y-axis direction is used as a part of the light beam splitting lens constituting the first optical element. As a result, the secondary light source image in the Y-axis direction is used. This is because only the arrangement pitch is narrowed. Note that depending on the number of light beam splitting lenses constituting the first optical element or the arrangement thereof, all the light beam splitting lenses may be decentered lenses. Further, instead of the first optical element 200 of the present example, a secondary light source may be configured using a first optical element configured using only a concentric lens and a cylindrical lens that collects light only in one direction. It is possible to adjust only the arrangement pitch in the Y-axis direction of the image.
[0043]
The second optical element 300 is a composite that is substantially composed of a condensing lens array 310, a light shielding plate 370, a polarization separation unit array 320, a selective phase difference plate 380, and a coupling lens 390, and is based on the first optical element 200. It is arranged in a plane perpendicular to the system optical axis L (XY plane in FIG. 1) near the position where the secondary light source image 203 is formed. The second optical element 300 spatially separates each of the intermediate light beams 202 into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, and then aligns the polarization direction of one polarized light beam with the polarization direction of the other polarized light beam, It has a function of guiding each polarized light beam having substantially the same polarization direction to the effective image forming area of the liquid crystal device 401.
[0044]
The condensing lens array 310 has substantially the same configuration as that of the first optical element 200, that is, the same number of condensing lenses 311 as the light beam splitting lenses 201 constituting the first optical element 200 are arranged in a matrix. It has a function of guiding each intermediate light beam 202 while condensing it to a specific location of the polarization separation unit array 320. Therefore, it is ideal that the light incident on the polarization separation unit array is parallel to the system optical axis L in accordance with the characteristics of the intermediate light beam formed by the first optical element. Considering this point, the lens characteristics of each condenser lens are optimized. Therefore, the condensing lens array of this example is configured using an eccentric lens as a part thereof. Here, the condensing lens array may be disposed at a position (side closer to the first optical element) away from the light shielding plate 370 and the polarization separation unit array. Further, the condensing lens array may be omitted depending on the configuration of the secondary light source image forming unit 20 itself and the characteristics of the light emitted from the light source unit 10. In particular, when the parallelism of the light beam incident on the first optical element is extremely good, the condensing lens array may be omitted from the second optical element.
[0045]
As shown in FIG. 5, the light shielding plate 370 is configured such that a plurality of light shielding surfaces 371 and a plurality of opening surfaces 372 indicated by diagonal lines in the drawing are regularly arranged. The incident light beam is blocked, and the light beam incident on the opening surface 372 passes through the light shielding plate 370 as it is. That is, the light shielding plate 370 has a function of controlling the light beam that is transmitted according to the position on the light shielding plate. The positions of the light shielding surface 371 and the opening surface 372 are set so that the position where the secondary light source image 203 is formed is limited to the polarization separation surface 331 of the polarization separation unit 330 described later. In this example, as the light shielding plate 370, a plate-shaped transparent body made of a glass plate or the like is used in which a light shielding film made of a chromium film, an aluminum film or the like is partially formed. You may use what provided the opening part in such a light-shielding flat plate. Further, when the light shielding surface 371 is formed using a light shielding film as in this example, the light shielding film may be directly formed on the condenser lens array 310 or a polarization separation unit array 320 described later. A similar function can be exhibited. In this case, there is an advantage that the number of parts does not increase. If a light source that emits a light beam with good parallelism is used, the light shielding plate can be omitted.
[0046]
Next, the polarization separation unit array 320 has a configuration in which a plurality of polarization separation units 330 are arranged in a matrix as shown in FIG. The arrangement method of the polarization separation units corresponds to the lens characteristics of the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 and the arrangement method thereof. That is, in this example, the beam splitting lenses are arranged in an orthogonal matrix, and the first optical element is configured by using an eccentric lens as a part of the beam splitting lens, and in particular, the Y-axis direction of the secondary light source image In order to reduce the arrangement pitch, the polarization separation unit array having a size corresponding to the arrangement pitch of the secondary light source image is arranged in an orthogonal matrix in the same direction. It is composed. Therefore, the vertical / horizontal aspect ratio of the polarization separation unit on the XY plane is 1: 2.
[0047]
When all of the polarization separation units in the same column lined up in the Y-axis direction are the same polarization separation unit, a polarization separation unit array configured by arranging elongated polarization separation units in the Y-axis direction in the X-axis direction is used. Therefore, it is advantageous in that the optical loss at the interface between the polarization separation units can be reduced and the manufacturing cost of the polarization separation unit array can be reduced. Furthermore, it is possible to eliminate the interface between the polarization separation units arranged in the X-axis direction. In this case, the optical loss at the interface between the polarization separation units can be reduced and the manufacturing cost of the polarization separation unit array can be reduced. be able to.
[0048]
As shown in FIG. 7, the polarization separation unit 330 is a quadrangular prism-like structure having a polarization separation surface 331 and a reflection surface 332 inside, and each of the intermediate light beams incident on the polarization separation unit is converted into a P-polarized light beam. And S-polarized light flux. Since the vertical / horizontal aspect ratio of the polarization separation unit on the XY plane is 1: 2, the polarization separation surface 331 and the reflection surface 332 are arranged in the horizontal direction (X-axis direction). . Here, the polarization separation surface 331 and the reflection surface 332 are configured such that the polarization separation surface is inclined at about 45 degrees with respect to the system optical axis L, and the reflection surface is parallel to the polarization separation surface. The cross-sectional area projected onto the XY plane by the polarization splitting surface (equal to the area of a P exit surface 333 described later) and the cross-sectional area projected from the reflection surface onto the XY plane (equal to the area of an S exit surface 334 described later). They are arranged to be equal. Therefore, in this example, the width Wp on the XY plane of the region where the polarization separation surface 331 exists and the width Wm on the XY plane of the region where the reflection surface 332 exist are equal to each other, and each of them is the polarization separation unit. It is set to be half of the lateral width W on the XY plane. In general, the polarization separation surface can be formed of a dielectric multilayer film, and the reflection surface can be formed of a dielectric multilayer film or an aluminum film.
[0049]
The light incident on the polarization separation unit 330 travels in the direction of the P-polarized light beam 335 passing through the polarization separation surface without changing the traveling direction on the polarization separation surface 331 and the direction of the adjacent reflection surface 332 reflected by the polarization separation surface. Are separated into an S-polarized light beam 336 for changing. The P-polarized light beam 335 is emitted from the polarization separation unit as it is through the P emission surface 333, and the S-polarized light beam 336 changes its traveling direction again at the reflection surface 332 and becomes substantially parallel to the P-polarized light beam 335, so that the S emission surface. The light is emitted from the polarization separation unit via 334. Therefore, the random polarized light beam incident on the polarization separation unit is separated into two types of polarized light beams of P-polarized light beam and S-polarized light beam having different polarization directions by the polarization separation unit. The light is emitted in substantially the same direction from the emission surface.
[0050]
As described above, since the number of light beams increases by a factor of two when the light beam passes through the polarization separation unit, the number of secondary light source images formed in the polarization separation unit is also the emission surface of the polarization separation unit. From the side of, it seems to increase twice as well. That is, as shown in FIG. 8, in the polarization separation unit array, in one polarization separation unit, a secondary light source image 204 (right side) with a P-polarized light beam and a secondary light source image 205 (toward) with an S-polarized light beam. The two secondary light source images (on the left side) are formed in a state of being arranged in pairs in the horizontal direction (X-axis direction). Compared with the case where the secondary light source image is formed as shown in FIG. 4, the secondary light source image array pitch in the X axis direction is substantially increased due to the increase of the secondary light source images in the X axis direction. It can be seen that the ratio of the arrangement pitch in the X-axis direction and the arrangement pitch in the Y-axis direction of the secondary light source image is 1: 1. That is, the arrangement pitch of the secondary light source images arranged in the X-axis direction and the arrangement pitch of the secondary light source images arranged in the Y-axis direction are both equal to U / 2, and all the secondary light source images are arranged in an orthogonal matrix. Has been. What is important here is that the arrangement of the secondary light source images completely corresponds to the arrangement of the pixel openings of the liquid crystal device described later.
[0051]
Since the polarization separation unit has the functions as described above, it is necessary to guide the intermediate light beam to a region where the polarization separation surface of the polarization separation unit exists. Therefore, the intermediate light beam is provided at the center of the polarization separation surface in the polarization separation unit. The position relationship between each polarization separation unit and each condenser lens and the lens characteristics of the condenser lens are set so that a secondary light source image is formed. In particular, in the case of this example, since the central axis of each condenser lens is arranged at the center of the polarization separation surface in each polarization separation unit, the condenser lens array 310 includes the polarization separation unit. They are arranged in a state shifted in the X direction with respect to the polarization separation unit array 320 by a distance corresponding to ¼ of the lateral width W.
[0052]
Again, a description will be given based on FIG.
[0053]
The light shielding plate 370 is located between the polarization separation unit array 320 and the condensing lens array 310 so that the center of each opening surface 372 of the light shielding plate 370 and the center of the polarization separation surface 331 of each polarization separation unit 330 substantially coincide with each other. Further, the opening width of the opening surface 372 (the opening width in the X direction) is set to about half the width W of the polarization separation unit 330. As a result, the intermediate light beam directly incident on the reflection surface without passing through the polarization separation surface is hardly present because it is blocked by the light shielding surface of the light shielding plate in advance, and almost all of the light flux that has passed through the opening surface of the light shielding plate. It is incident only on the polarization separation surface. Therefore, by installing the light shielding plate, in the polarization separation unit, there is almost no light beam that directly enters the reflection surface and enters the adjacent polarization separation surface through the reflection surface. In general, the size of the formed secondary light source image varies depending on the degree of parallelism of the light beam emitted from the light source. For this reason, when a light source that emits a light beam with good parallelism is used, the formed secondary light source image becomes small, so that there is almost no light beam directly incident on the reflection surface of the polarization separation unit, but a light beam with poor parallelism. When a light source that emits light is used, the secondary light source image becomes large, so that there are many light beams that are directly incident on the reflection surface of the polarization separation unit, and these light beams are polarizing plates (see FIG. (Not shown) and the temperature of the polarizing plate is increased. Therefore, when a light source that emits a light beam with poor parallelism is used, an increase in the temperature of the polarizing plate can be prevented by installing a light shielding plate.
[0054]
A selective phase difference plate 380 in which λ / 2 phase difference plates 381 are regularly arranged is installed on the exit surface side of the polarization separation unit array 320. That is, the λ / 2 phase difference plate 381 is disposed only on the P exit surface 333 of the polarization separation unit 330 constituting the polarization separation unit array 320, and the λ / 2 phase difference plate 381 is disposed on the S exit surface 334 portion. Not installed (see Figure 7). Due to such an arrangement state of the λ / 2 phase difference plate, the P-polarized light beam emitted from the polarization separation unit is converted into an S-polarized light beam by rotating the polarization direction when passing through the λ / 2 phase difference plate. Is done. On the other hand, since the S-polarized light beam emitted from the S exit surface does not pass through the λ / 2 phase difference plate, the polarization direction does not change and passes through the selected phase difference plate as it is. In summary, the intermediate beam having a random polarization direction is converted into one type of polarized beam (in this case, an S-polarized beam) by the polarization separation unit array 320 and the selective phase difference plate 380.
[0055]
A coupling lens 390 is disposed on the exit surface side of the selective phase difference plate 380, and the light beam aligned with the S-polarized light flux by the selective phase difference plate is transferred to the effective image forming area of the liquid crystal device 401 by the coupling lens. And is superimposed and coupled on the effective image forming area. Here, the coupling lens 390 does not have to be a single lens body, and may be an aggregate of a plurality of lenses like the first optical element 200. Further, the coupling lens may be omitted depending on the lens characteristics of the condenser lens 311 and the light beam splitting lens 201 described above, the arrangement state thereof, or the installation angle of the polarization separation surface and the reflection surface of the polarization separation unit 330. .
[0056]
Summarizing the functions of the second optical element 300, the intermediate light beam 202 divided by the first optical element 200 (that is, the aperture plane cut out by the light beam dividing lens 201) is converted into a liquid crystal device by the second optical element 300. 401 are superimposed on the effective image forming area 401. At the same time, the intermediate light beam, which is a random polarized light beam, is spatially separated into two types of polarized light beams having different polarization directions by the polarization separation unit array 320 on the way, and is almost one when passing through the selective phase difference plate 380. It is converted into a kind of polarized light beam. Here, since the light shielding plate 370 is disposed on the incident side of the polarization separation unit array 320 and the intermediate light beam is incident only on the polarization separation surface 331 of the polarization separation unit 330, the polarization separation is performed via the reflection surface 332. There is almost no intermediate light beam incident on the surface 331, and the type of polarized light beam emitted from the polarization separation unit array 320 is limited to almost one type. Therefore, the effective image forming area of the liquid crystal device 401 is illuminated almost uniformly with almost one type of polarized light beam.
[0057]
The liquid crystal device unit 40 includes a liquid crystal device 401, a collimating lens 405 disposed on the incident side (light source side) of the liquid crystal device, an exit side condensing lens 406 disposed on the exit side (projection lens side) of the liquid crystal device, and a liquid crystal. The microlens array plate 402 is arranged roughly on the incident side (light source side) of the device 401.
[0058]
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of the liquid crystal device 401 and the microlens array plate 402. The liquid crystal device 401 has a structure in which a liquid crystal layer 472 is sandwiched between a liquid crystal substrate 471 on which an electrode (not shown) is formed and a counter substrate 475 on which a light shielding layer 473 and an electrode (not shown) are formed. The microlens array plate 402 has a configuration in which microlenses 403 are formed on a microlens substrate 476 so as to correspond to the pixel openings 474 on a one-to-one basis. Here, the arrangement of the pixels in the liquid crystal device 401 is an orthogonal matrix, the arrangement pitch of the pixels in the X-axis direction is equal to the arrangement pitch in the Y direction, and the shape of the pixel openings 474 is also substantially square. Therefore, the pixel openings 474 and the microlenses 403 are arranged in an orthogonal matrix with the same arrangement pitch in the X-axis direction and the Y-axis direction. Here, the secondary light source images formed in the polarization separation unit array are arranged in an orthogonal matrix, and considering that the arrangement pitch in the X-axis direction is equal to the arrangement pitch in the Y-axis direction, It can be seen that the arrangement state of the two types of secondary light source images 204 and 205 formed by the polarization separation unit array 320 and the pixel openings 474 of the liquid crystal device 401 are completely similar. Note that the microlens 403 may be formed directly on the counter substrate 475 and the microlens substrate 476 may be omitted. Further, the microlens is of a type (refractive index distribution type) that obtains a light collecting power by forming a refractive index distribution in addition to a type that obtains a light collecting power by a curved surface shape as shown in FIG. In particular, in the latter case, the surface of the microlens array plate can be made flat, so that the microlens array plate and the counter substrate can be optically integrated to reduce light loss at the interface. It is effective in.
[0059]
The illuminating light beam incident on the liquid crystal device unit 40 configured as described above can be suppressed in the divergence angle by the collimating lens 405 (when focusing on the light beam formed by one light beam splitting lens, the collimating lens makes it substantially parallel. The light enters a microlens array plate 402 installed in the liquid crystal device 401 and is condensed by each microlens 403 to form a condensed image 470 in the pixel opening 474. Since this condensed image 470 is nothing but a projection image of the secondary light source image, it will be referred to as a tertiary light source image below. The microlenses are formed so as to correspond to the pixel openings in a one-to-one correspondence. In this example, as shown in FIG. 9, a plurality of tertiary light source images 470 are formed by a single microlens. Are formed in the pixel opening 474. In other words, the tertiary light source image 470 formed in one pixel opening is a light source image formed by a plurality of microlenses 403. This means that even if a plurality of microlenses 403 are integrated, it is possible to form a tertiary light source image in the pixel opening 474 in the same manner. Therefore, the microlens 403 is formed in the pixel opening 474. However, it is not necessary to form a one-to-one correspondence. That is, the number of microlenses 403 is not necessarily the same as the number of pixels of the liquid crystal device, and may be 1 / integer of the number of pixels. By using the microlens array plate 402 on which the microlens 403 having an integer number of pixels is formed, even if the secondary light source images are arranged in a delta shape, the arrangement of the microlenses 403 is not changed. Can respond.
[0060]
When the functions of the microlens array plate 402 are summarized, the two types of secondary light source images 204 and 205 formed by the polarization separation unit array 320 are converted into the liquid crystal device 401 by the respective microlenses 403 formed on the microlens substrate 476. That is, a third light source image 470 is formed on the pixel opening 474. As described above, since the arrangement of the secondary light source images formed in the polarization separation unit array 320 is the same as the arrangement of the pixel openings 474 of the liquid crystal device 401, all the secondary light sources are arranged. The images 204 and 205 become a tertiary light source image 470 and pass through the pixel opening 474. Accordingly, since most of the illumination light beam incident on the liquid crystal device 401 can pass through the liquid crystal device 401 without being blocked by the light shielding layer 473, the light utilization efficiency in the liquid crystal device 401 is very high.
[0061]
Again, a description will be given based on FIG. In the liquid crystal device unit 40, display information from the outside is included in the light beam passing through the liquid crystal device 401 to form an optical image. The optical image formed here is projected and displayed on the screen 60 through the projection lens 50. The exit side condensing lens 430 disposed on the projection lens side of the liquid crystal device 401 is disposed to effectively guide the light beam that has passed through the liquid crystal device 401 to the projection lens, and may be omitted depending on the characteristics of the projection lens. can do. However, since the light beam emitted from the liquid crystal device 401 is a divergent light beam due to the light condensing action of the microlens 403 described above, an output side condensing lens 406 is disposed adjacent to the liquid crystal device 401, Condensing the divergent light beam and guiding it to the projection lens 50 is effective in that the light use efficiency in the projection lens 50 can be improved.
[0062]
In the projection display device 1 configured as described above, a liquid crystal device of a type that modulates one type of polarized light beam is used. Therefore, when a random polarized light beam is guided to a liquid crystal device using a conventional illumination device, about half of the random polarized light beam is absorbed by a polarizing plate (not shown) and converted to heat. However, there is a problem that a large-sized and noisy cooling device that suppresses the heat generation of the polarizing plate is necessary in addition to the low light utilization efficiency. Also in the liquid crystal device, since the area ratio per pixel occupied by the light shielding layer increases as the pixel density increases, the degree to which the illumination light beam is blocked in the light shielding layer is increased, so that the light use efficiency is poor and the liquid crystal device is also used. There is a problem that a large-sized and noisy cooling device that suppresses heat generation is necessary. However, in the projection display apparatus 1 of this example, this problem is greatly improved.
[0063]
That is, according to the projection display apparatus 1 of the present example, the secondary light source image forming unit configured by the first optical element 200 and the second optical element 300 is used to generate a random polarized light beam emitted from the light source unit 10. 20, the light beam is converted into almost one type of polarized light beam, and the effective image forming area of the liquid crystal device 401 can be uniformly illuminated by the light beam having the same polarization direction, so that a projected image having no brightness unevenness can be obtained. In addition, since almost no light loss is involved in the generation process of the polarized light flux, almost all of the light emitted from the light source unit can be guided to the effective image forming area of the liquid crystal device 401, and further installed in the liquid crystal device 401. Since the microlens array plate 402 that has been used can pass most of the light incident on the liquid crystal device 401 through the pixel opening without being blocked by the light shielding layer of the liquid crystal device, the light utilization efficiency is extremely high. The effect is that a bright projected image can be obtained.
[0064]
Further, when a projection display device is configured using a modulation unit that performs display using a polarized light beam like a liquid crystal device, the amount of light absorbed by the polarizing plate installed in the liquid crystal device 401 can be greatly reduced. Therefore, the cooling device required for suppressing the heat generation of the polarizing plate and the modulation means can be greatly reduced in size. In particular, since the light shielding plate 370 is disposed inside the second optical element 300, other polarized light beams unnecessary for display on the liquid crystal device may be mixed in the illumination light that illuminates the liquid crystal device. rare. Therefore, the amount of light absorption in the polarizing plate arranged on the light incident side of the liquid crystal device is extremely small, and the amount of heat generated by light absorption is also extremely small. The cooling device can be further downsized.
[0065]
From the above, even when trying to realize a projection display device capable of displaying a very bright projection image using a light source lamp with a very large light output, it can be handled by a small cooling device. The noise of the cooling device can be reduced, and a quiet and high-performance projection display device can be realized.
[0066]
Further, in accordance with the shape of the effective image forming area of the horizontally long liquid crystal device 401, the second optical element 300 spatially separates two kinds of polarized light beams in the horizontal direction (X-axis direction). It is in form. Therefore, the amount of light is not wasted, and it is convenient for illuminating a horizontally long liquid crystal device.
[0067]
In general, when a light beam with a random polarization direction is simply separated into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, the width of the entire light beam after separation is doubled, and the optical system is accordingly enlarged. However, in the projection display device of the present invention, a plurality of minute condensed images are formed by the first optical element, and a space where no light is generated in the formation process is used well, and polarization separation is performed in the space. By arranging the reflecting surface of the unit, it absorbs the lateral width expansion of the light beam caused by the separation into two polarized light beams, so that the width of the entire light beam does not widen, and a compact optical The system is realized. This means that when the liquid crystal device is illuminated, there is almost no light incident on the liquid crystal device with a large angle. Therefore, a bright projection image can be realized without using a projection lens system having a very small aperture with a small F number, and as a result, a small projection display device can be realized.
[0068]
In addition, as the two types of polarized light beams are separated in the lateral direction (X-axis direction) in the second optical element 300, one secondary formed by each light beam splitting lens 201 of the first optical element 200. Two secondary light source images 203 and 205 arranged in the horizontal direction from the light source image 203 can be formed. That is, since the secondary light source image 203 is doubled by the second optical element 300, in the projection display apparatus 1 of this example, only the arrangement pitch in the Y-axis direction is set to 2/3 by the second optical element 300. It is not necessary to reduce the arrangement pitch of the secondary light source images in the X-axis direction to ½. Therefore, it is not necessary to increase the degree of decentration of the lens so much, so that the incidence efficiency of the lens does not decrease and the brightness does not decrease, and the spherical aberration does not increase and the image is not distorted.
[0069]
(Modification 1 of Example 1)
The microlens array plate used in Example 1 was configured by using a general microlens whose outer shape on the XY plane was a circular shape, but was instead configured by a hexagonal microlens. A microlens array plate can also be used. FIG. 10 shows a corresponding state of the hexagonal microlens 404, the tertiary light source image 470 formed by the microlens 404, and the pixel opening 474 of the liquid crystal device 401. In this example, it is assumed that the first optical element 200 configured by arranging the light beam splitting lenses 201 in 4 rows × 4 columns is assumed. As can be seen from the figure, in this example, one microlens 404 corresponds to four pixels of the liquid crystal device 401, and a tertiary light source image 470 formed by one microlens 404. The number is 32 [Seiko 1].
[0070]
Even in such a configuration, the lens characteristics and the arrangement state of the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 and the polarization separation unit array 320 and the condensing lens array 310 constituting the second optical element 300 are adjusted. Then, by making the arrangement state of the formed secondary light source images and the arrangement state of the pixel openings 474 similar to each other, the same effect as in the case of the first embodiment can be expected.
[0071]
In addition, when the microlens array plate 402 is configured by using the hexagonal microlens 404, the microlens array plate in which the microlenses 404 are packed most closely without generating a gap between the microlenses 404 is used. Since it can be configured, the light utilization efficiency in the microlens array plate 402 can be further improved.
[0072]
Furthermore, some liquid crystal devices have pixels arranged in a delta shape, and such a liquid crystal device has a single plate that displays a color image by mounting three color filters on the pixels of one liquid crystal device. This type of liquid crystal device is often used for such a liquid crystal display device. However, for such a liquid crystal device, the arrangement state of the microlens and the arrangement state of the pixel openings are easily matched. The use of a microlens array plate composed of microlenses is optimal.
[0073]
(Modification 2 of Example 1)
It is also possible to use a microlens array plate 402 constituted by microlenses whose curved surface shape is a toric shape. The toric lens is a lens having a curved shape in which the curvature shape of the lens differs in the X-axis direction and the Y-axis direction. If this type of lens is used, the arrangement state of the third light source image 474 formed by the microlens can be changed independently between the X-axis direction and the Y-axis direction. It is not necessary to match the arrangement state of the secondary light source image formed by the optical element 300 with the arrangement state of the pixel openings 474 of the liquid crystal device 401. For example, the ratio of the arrangement pitch in the X-axis direction and the arrangement pitch in the Y-axis direction of the secondary light source image is 1: 3/4, that is, between the X-axis direction and the Y-axis direction of the light beam splitting lens in the first optical element. It may be in a state equal to the ratio of the arrangement pitch. In this case, since all the first optical elements 200 can be constituted by concentric lenses, the condensing lens array of the second optical element and the first optical element can be used in the same lens array body. Therefore, cost reduction of the optical system can be achieved.
[0074]
(Example 2)
Based on the projection display device 1 shown in the first embodiment, a three-plate projection display device using three transmissive liquid crystal devices can also be configured.
[0075]
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing the main part of the optical system of the projection display device 2 of this example, and shows the configuration in the XZ plane. The projection display device 2 of this example is based on the projection display device 1 shown in the first embodiment, and color light separating means for separating the white light beam into three color lights and the three color lights are synthesized there. Further, color light combining means for forming a color image is added, and the number of transmission type liquid crystal devices that form a display image by modulating each color light based on display information is increased to three.
[0076]
The projection display device 2 of this example includes a light source unit 10 that emits a random polarized light beam in one direction, and the random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is approximately one by the secondary light source image forming unit 20. It is converted into a type of polarized light beam (S-polarized light beam in this example).
[0077]
The luminous flux emitted from the secondary light source image forming means 20 first transmits red light and reflects blue light and green light in a blue light green light reflecting dichroic mirror 461 which is a color light separating means. The red light is reflected by the reflection mirror 463, passes through the collimating lens 417, and reaches the red light liquid crystal device 411. On the other hand, of the blue light and the green light, the green light is reflected by the green light reflecting dichroic mirror 462, which is also a color light separating means, and reaches the green light liquid crystal device 412 via the collimating lens 418. Here, since the blue light has the longest optical path length among the color lights, the blue light is guided by a relay lens system including an incident lens 431, a relay lens 432, and an exit lens 433. Means 430 are provided. That is, after passing through the green light reflecting dichroic mirror 462, the blue light is first reflected by the reflecting mirror 435 through the incident lens 431, guided to the relay lens 432, and focused on this relay lens, and then reflected by the reflecting mirror 436. The light is guided to the exit lens 433 and then reaches the blue light liquid crystal device 413 through the collimating lens 419. The collimating lenses 417, 418, and 419 disposed on the light incident side of the three liquid crystal devices 411, 412, and 413 are respectively supplied from the secondary light source image forming unit 20 as described in the first embodiment. It is installed to collimate the illumination light beam. In addition, a lens in which a collimating lens 419 provided in the blue light liquid crystal device 413 and an output lens 433 of the light guide unit are integrated may be used.
[0078]
The three liquid crystal devices 411, 412, and 413 are respectively provided with microlens array plates 421, 422, and 423 on the light incident side, and secondary light sources formed in the secondary light source image forming means 20. The image is transmitted as a tertiary light source image in a corresponding pixel opening (not shown) of each liquid crystal device. That is, most of the illumination light beams incident on the respective liquid crystal devices are not blocked by the light shielding layers (not shown) of the liquid crystal devices 411, 412, and 413, and most of them are pixel openings (see FIG. (Not shown).
[0079]
The three liquid crystal devices 411, 412, and 413 modulate the respective color lights, include image information corresponding to each color light, and then enter the modulated color light into the cross dichroic prism 450 that is a color light combining unit. In the cross dichroic prism 450, a red light reflecting dielectric multilayer film and a blue light reflecting dielectric multilayer film are formed in a cross shape, and a color image is formed by synthesizing the respective modulated light beams. The color image formed here is enlarged and projected on the screen 60 by the projection lens 50 which is a projection optical system to form a projection image.
[0080]
In the projection display device 2 configured as described above, a liquid crystal device of a type that modulates one type of polarized light beam is used. Therefore, when a random polarized light beam is guided to a liquid crystal device using a conventional illumination device, about half of the random polarized light beam is absorbed by a polarizing plate (not shown) and converted to heat. However, there is a problem that a large-sized and noisy cooling device that suppresses the heat generation of the polarizing plate is necessary as well as the light utilization efficiency is low. Also in the liquid crystal device, since the area ratio per pixel occupied by the light shielding layer increases as the pixel density increases, the degree to which the illumination light beam is blocked in the light shielding layer is increased, so that the light use efficiency is poor and the liquid crystal device is also used. There is a problem that a large-sized and noisy cooling device that suppresses heat generation is necessary. However, in the projection display device 2 of this example, this problem is greatly improved.
[0081]
That is, in the projection display device 2 of the present example, the random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is converted into almost one type of polarized light beam in the secondary light source image forming means 20, and the polarization directions thereof are aligned. Since the three liquid crystal devices 411, 412, and 413 are illuminated by the light flux, the light absorption in the polarizing plates provided in the three liquid crystal devices is very small. Further, since these polarized light beams are superimposed and coupled on the effective image forming area of the liquid crystal device, the effective image forming area is uniformly illuminated. Furthermore, since almost no light loss is involved in the generation process of the polarized light flux, almost all of the light emitted from the light source can be guided to three liquid crystal devices, and installed in three liquid crystal devices. By the microlens array plates 421, 422, and 423, most of the light incident on the liquid crystal device can pass through the pixel opening without being blocked by the light shielding layer of the liquid crystal device. Accordingly, it is possible to obtain a projected image that has extremely high light utilization efficiency, is bright, and has no brightness unevenness.
[0082]
In addition, since light absorption in the polarizing plate provided in the liquid crystal device can be extremely reduced, heat generation due to light absorption can be suppressed, and the cooling device for suppressing the temperature rise of the polarizing plate and the liquid crystal device can be greatly downsized. it can. In particular, since the light source plate 370 is disposed in the secondary light source image forming unit 20, even when a light source that emits a light beam with poor parallelism is used for the light source unit, In addition, other polarized light beams unnecessary for display on the liquid crystal device are hardly mixed. Therefore, even when a light source that emits a light beam with poor parallelism is used, the above-described excellent characteristics can be exhibited.
[0083]
From the above, even when trying to realize a projection display device capable of displaying a very bright projection image using a light source lamp with a very large light output, it can be handled by a small cooling device. The noise of the cooling device can be reduced, and a quiet and high-performance projection display device can be realized.
[0084]
Further, in the second optical element 300, two kinds of polarized light beams are spatially separated in the horizontal direction (X direction). Therefore, the amount of light is not wasted, and it is convenient for illuminating a horizontally long liquid crystal device.
[0085]
As described with respect to the first embodiment, in the projection display apparatus 2 of this example, the spread of the width of the light beam emitted from the polarization separation unit array 320 can be suppressed despite the incorporation of the polarization conversion optical element. ing. This means that when the liquid crystal device is illuminated, there is almost no light incident on the liquid crystal device with a large angle. Therefore, a bright projection image can be realized without using a projection lens system having a very small aperture with a small F number, and as a result, a small projection display device can be realized.
[0086]
In addition, as the two types of polarized light beams are separated in the lateral direction (X-axis direction) in the second optical element 300, one secondary formed by each light beam splitting lens 201 of the first optical element 200. Two secondary light source images 203 and 205 arranged in the horizontal direction from the light source image 203 can be formed. That is, since the secondary light source image 203 is doubled by the second optical element 300, in the projection display apparatus 1 of this example, only the arrangement pitch in the Y-axis direction is set to 2/3 by the second optical element 300. It is not necessary to reduce the arrangement pitch of the secondary light source images in the X-axis direction to ½. Therefore, it is not necessary to increase the degree of decentration of the lens so much, so that the incidence efficiency of the lens does not decrease and the brightness does not decrease, and the spherical aberration does not increase and the image is not distorted. In this example, since the cross dichroic prism 450 is used as the color light combining means, the apparatus can be miniaturized. In addition, since the length of the optical path between the liquid crystal devices 411, 412, and 413 and the projection lens system is short, a bright projection image can be realized even when a projection lens system having a relatively small aperture is used. Each color light has a different optical path length in only one of the three optical paths, but in this example, for the blue light having the longest optical path, the incident lens 431, the relay lens 432, and Since the light guide means 430 configured by a relay lens system including the output lens 433 is provided, color unevenness and the like do not occur.
[0087]
Note that the projection display device can also be configured by a mirror optical system using two dichroic mirrors as color light combining means. Of course, in this case as well, it is possible to incorporate the polarized illumination device of this example, and as in the case of this example, it is possible to form a bright and high-quality projected image with excellent light utilization efficiency.
[0088]
(Example 3)
Based on the projection display device 1 shown in the first embodiment, a three-plate projection display device using three reflective liquid crystal devices can also be configured.
[0089]
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing the main part of the optical system of the projection display device 3 of this example, and shows the configuration in the XZ plane. The projection display device 3 of this example is based on the projection display device 1 shown in the first embodiment, and includes a polarization beam splitter that changes the emission direction of the light beam according to the polarization direction, and a white light beam in three colors. Color light separating means for separating color light and color light combining means for combining three color lights to form a color image are added, and three reflective liquid crystal devices are used in place of the transmissive liquid crystal device. Yes.
[0090]
The projection display device 3 of this example includes a light source unit 10 that emits a random polarized light beam in one direction, and the random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is approximately one by the secondary light source image forming unit 20. It is converted into a type of polarized light beam (S-polarized light beam in this example).
[0091]
The light beam emitted from the secondary light source image forming unit 20 enters the polarization beam splitter 480, is reflected by the polarization separation surface 481, changes its traveling direction by approximately 90 degrees, and enters the adjacent cross dichroic prism 450. Here, most of the light beam emitted from the secondary light source image forming means 20 is an S-polarized light beam, but a polarized light beam having a slightly different polarization direction from the S-polarized light beam (in this example, a P-polarized light beam). A polarized light beam (P-polarized light beam) having a different polarization direction may pass through the polarization separation surface 481 as it is and is emitted from the polarization beam splitter 480 (this P-polarized light beam illuminates the liquid crystal device). Not light).
[0092]
The S-polarized light beam incident on the cross dichroic prism 450 is separated into three light beams of red light, green light, and blue light according to the wavelength by the cross dichroic prism 450, and passes through the collimating lenses 417, 418, 419, respectively. The light enters the corresponding reflective liquid crystal device for red light 414, the reflective liquid crystal device for green light 415, and the reflective liquid crystal device for blue light 416. That is, the cross dichroic prism 450 functions as color light separating means for illumination light that illuminates the liquid crystal device. In the three liquid crystal devices 414, 415, and 416, microlens array plates 421, 422, and 423 are respectively arranged on the light incident side, and the illumination light beam is condensed by the microlenses on the microlens array plate. In this state, the light enters a pixel opening (not shown).
[0093]
Here, since the liquid crystal devices 414, 415, and 416 used in this example are of the reflection type, each liquid crystal device modulates each color light and simultaneously includes display information from the outside corresponding to each color light. The polarization direction of the light beam emitted from each liquid crystal device is changed, and the traveling direction of the light beam is substantially reversed. Therefore, the reflected light from each liquid crystal device is emitted partially in a P-polarized state according to display information. The modulated light beams (mainly P-polarized light beams) emitted from the respective liquid crystal devices 414, 415, and 416 pass through the microlens array plates 421, 422, and 423 and the parallelizing lenses 417, 418, and 419 again, and cross. The light enters the dichroic prism 450, is combined into one optical image, and enters the adjacent polarizing beam splitter 480 again. That is, the cross dichroic prism 450 functions as color light combining means for the modulated light beam emitted from the liquid crystal device.
[0094]
Of the light beams incident on the polarization beam splitter 480, the light beams modulated by the liquid crystal devices 414, 415, and 416 are P-polarized light beams, and thus pass through the polarization separation surface 481 of the polarization beam splitter 480 as they are. Then, an image is formed on the screen 60.
[0095]
Also in the projection display device 3 configured as described above, a liquid crystal device of a type that modulates one kind of polarized light beam is used as in the case of the projection display device 2 described above. Therefore, when a conventional illumination device that uses a randomly polarized light beam as illumination light is used, the amount of light beam separated by the polarization beam splitter 480 and guided to the reflective liquid crystal device is approximately half of the random polarized light beam. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a bright projected image due to poor light utilization efficiency. However, in the projection display device 3 of this example, this problem is greatly improved.
[0096]
That is, in the projection display device 3 of the present example, the random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is converted into almost one type of polarized light beam in the secondary light source image forming means 20, so that the polarization beam splitter Almost all of the light beam incident on 480 is guided to three reflective liquid crystal devices 414, 415, and 416 as an illumination light beam. Further, since these polarized light beams are superimposed and coupled on the effective image forming area of the liquid crystal device, the effective image forming area is uniformly illuminated. Furthermore, since almost no light loss is involved in the generation process of the polarized light flux, almost all of the light emitted from the light source can be guided to three liquid crystal devices, and installed in three liquid crystal devices. By using the microlens array plates 421, 422, and 423, most of the light incident on the liquid crystal device can be guided to the pixel openings without being blocked by the light shielding layer (not shown) of the liquid crystal device. Accordingly, it is possible to obtain a projected image that has extremely high light utilization efficiency, is bright, and has no brightness unevenness.
[0097]
Further, in the second optical element 300, two kinds of polarized light beams are spatially separated in the horizontal direction (X direction). Therefore, the amount of light is not wasted, and it is convenient for illuminating a horizontally long liquid crystal device.
[0098]
As described above with respect to the first embodiment, in the projection display device 3 of this example, the spread of the width of the light beam emitted from the polarization separation unit array 320 can be suppressed despite the incorporation of the polarization conversion optical element. ing. This means that when the liquid crystal device is illuminated, there is almost no light incident on the liquid crystal device with a large angle. Therefore, a bright projection image can be realized without using a projection lens system having a very small aperture with a small F number, and as a result, a small projection display device can be realized.
[0099]
In addition, as the two types of polarized light beams are separated in the lateral direction (X-axis direction) in the second optical element 300, one secondary formed by each light beam splitting lens 201 of the first optical element 200. Two secondary light source images 203 and 205 arranged in the horizontal direction from the light source image 203 can be formed. That is, since the secondary light source image 203 is doubled by the second optical element 300, in the projection display apparatus 1 of this example, only the arrangement pitch in the Y-axis direction is set to 2/3 by the second optical element 300. It is not necessary to reduce the arrangement pitch of the secondary light source images in the X-axis direction to ½. Therefore, it is not necessary to increase the degree of decentration of the lens so much, so that the incidence efficiency of the lens does not decrease and the brightness does not decrease, and the spherical aberration does not increase and the image is not distorted.
[0100]
In general, a reflective liquid crystal device has a feature that it is easy to ensure a somewhat high aperture ratio even when the pixel density is improved as compared with a transmissive liquid crystal device. However, in a reflective liquid crystal device, if the pixel density is very high and the pixel itself is small, the influence of the lateral electric field effect on adjacent pixels is unavoidable. The part must be made smaller. Therefore, even when a reflective liquid crystal device is used, the optical configuration of the present invention can sufficiently exhibit its excellent characteristics.
[0101]
In this example, the cross dichroic prism is used as the color light separating means and the color light synthesizing means, but the projection display device can also be configured by using two dichroic mirrors instead. Of course, in this case as well, it is possible to incorporate the polarized illumination device of this example, and as in the case of this example, it is possible to form a bright and high-quality projected image with excellent light utilization efficiency.
[0102]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to significantly increase the amount of light flux incident on each pixel opening of a modulation means such as a liquid crystal device. Therefore, the light utilization efficiency in the modulation means can be greatly improved, and there is an effect that it is possible to realize a projection display apparatus that can obtain a bright projection image without uneven brightness.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an optical system of a projection display apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a first optical element according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a position of a lens optical axis of a light beam splitting lens constituting a first optical element.
FIG. 4 is a diagram illustrating an arrangement state of secondary light source images formed by a first optical element.
FIG. 5 is a perspective view of a light shielding plate according to Embodiment 1 of the present invention.
6 is a perspective view of a polarization beam splitting unit array according to Embodiment 1 of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a diagram for explaining the function of the polarization separation unit according to the first embodiment of the invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an arrangement state when a secondary light source image formed inside the polarization separation unit array is viewed from the liquid crystal device side.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a liquid crystal device provided with the microlens array plate of Example 1 of the present invention.
10 is a diagram for explaining a positional relationship between a microlens of a liquid crystal device portion, a tertiary light source image, and a pixel opening portion in Modification Example 1 of Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an optical system of a projection display apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an optical system of a projection display apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3 Projection display device
10 Light source
20 Secondary light source image forming means
40 Liquid crystal device
50 Projection lens
60 screens
101 Light source lamp
102 Parabolic reflector
200 First optical element
201 luminous flux splitting lens
202 Intermediate luminous flux
203 Condensed image (secondary light source image)
Secondary light source image with 204 P-polarized light beam
205 Secondary light source image with S-polarized light beam
210 Lens optical axis
300 Second optical element
310 Condensing lens array
311 condenser lens
320 Polarized light separation unit array
330 Polarization Separation Unit
331 Polarization separation surface
332 reflective surface
333 P emission surface
334 S exit surface
335 P-polarized light flux
336 S-polarized light flux
370 Shading plate
371 Shading surface
372 Open surface
380 Selective phase difference plate
381 λ / 2 retardation plate
390 coupled lens
401 Liquid crystal device
402 Microlens array plate
403, 404 Micro lens
405 collimating lens
406 Output-side condenser lens
411 Liquid crystal device for red light (transmission type)
412 Liquid crystal device for green light (transmission type)
413 Blue light liquid crystal device (transmission type)
414 Red light liquid crystal device (reflection type)
415 Liquid crystal device for green light (reflection type)
416 Blue light liquid crystal device (reflection type)
417, 418, 419 Parallelizing lens
421, 422, 423 Micro lens array plate
430 Light guide means
431 Incident lens
432 Relay lens
433 Exit lens
435, 436 Reflective mirror
450 Cross Dichroic Prism
461 Blue light green light reflection dichroic mirror
462 Green light reflection dichroic mirror
463 reflection mirror
470 Tertiary light source image
471 LCD substrate
472 Liquid crystal layer
473 shading layer
474 pixel aperture
475 Counter substrate
476 Microlens substrate
480 Polarizing beam splitter
481 Polarization separation surface

Claims (16)

光源と、
前記光源から出射された光から略同一平面上に複数の第1の2次光源像を形成する第1の2次光源像形成手段と、
略同一平面上に、前記第1の2次光源像形成手段により形成された複数の第1の2次光源像を2倍に増やした第2の2次光源像を形成する第2の2次光源像形成手段と、
略同一平面上に、前記第2の2次光源像形成手段により形成された前記第2の2次光源像から3次光源像を形成する3次光源像形成手段と、
前記3次光源像形成手段から出射された光を画素により変調する変調手段とを有し、
前記3次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように前記第1の2次光源像形成手段または3次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
A light source;
First secondary light source image forming means for forming a plurality of first secondary light source images on substantially the same plane from the light emitted from the light source;
A second secondary light source that forms a second secondary light source image obtained by doubling the plurality of first secondary light source images formed by the first secondary light source image forming unit on substantially the same plane. Light source image forming means;
Tertiary light source image forming means for forming a tertiary light source image from the second secondary light source image formed by the second secondary light source image forming means on substantially the same plane;
Modulation means for modulating light emitted from the tertiary light source image forming means by a pixel;
The ratio of the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the tertiary light source image is substantially the same as the ratio of the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the pixels. A projection display apparatus, wherein the optical characteristics of the secondary light source image forming means or the tertiary light source image forming means are determined.
請求項1において、
前記第2の2次光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記第1の2次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
In claim 1,
The ratio of the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the second secondary light source image is substantially the same as the ratio of the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the pixels. A projection display apparatus, wherein optical characteristics of the first secondary light source image forming means are determined.
請求項1において、
前記第1の2次光源像の縦の配列ピッチの2分の1と横の配列ピッチとの比が、前記変調手段の前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列のピッチとの比と略同一となるように、前記第1の2次光源像形成手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
In claim 1,
The ratio between the half of the vertical arrangement pitch of the first secondary light source image and the horizontal arrangement pitch is the ratio of the vertical arrangement pitch of the pixels of the modulation means to the horizontal arrangement pitch. The projection type display apparatus is characterized in that the optical characteristics of the first secondary light source image forming means are determined so as to be substantially the same.
請求項1から3のいずれかにおいて、
前記第1の2次光源像形成手段は、略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、
前記矩形の光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であることを特徴とする投写型表示装置。
In any one of Claim 1 to 3,
The first secondary light source image forming means includes a plurality of rectangular light beam splitting lenses arranged on substantially the same plane,
A projection display apparatus, wherein an aspect ratio of the rectangular beam splitting lens is substantially the same as an aspect ratio of an illuminated area of the modulating means.
請求項1から4のいずれかにおいて、
前記光源から出射された光を2以上の色光に分離する色分離手段と、
前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、
それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、
前記合成手段により合成された前記色光を投写する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
In any one of Claim 1-4,
Color separation means for separating light emitted from the light source into two or more color lights;
A plurality of said modulation means for modulating each color light separated by said color light separation means;
Color light combining means for combining the respective color lights modulated by the respective modulation means;
A projection display system, comprising: a projection optical system that projects the color light synthesized by the synthesis unit.
光源と、
前記光源からの入射光束を複数の中間光束に分割して複数の光源像を形成する光束分割手段と、
前記複数の中間光束のそれぞれを2種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離手段、及び、前記偏光分離手段により分離された2種類の偏光光束の偏光方向を揃える偏光変換手段を備えた偏光発生手段と、
前記偏光発生手段側にマイクロレンズが配置された変調手段とを有し、
前記変調手段は複数の画素を備え、
前記マイクロレンズにより形成される光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段または前記マイクロレンズの光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
A light source;
A light beam splitting unit that splits an incident light beam from the light source into a plurality of intermediate light beams to form a plurality of light source images;
A polarization separation unit that separates each of the plurality of intermediate light beams into polarized light beams having two types of polarization directions, and a polarization conversion unit that aligns the polarization directions of the two types of polarized light beams separated by the polarization separation unit. Polarization generating means;
Modulation means having a microlens disposed on the polarized light generation means side,
The modulating means comprises a plurality of pixels;
The ratio between the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the light source image formed by the microlens is substantially the same as the ratio between the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the pixels. An optical characteristic of the light beam splitting means or the microlens is determined.
請求項6において、
前記偏光発生手段により形成される光源像の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比が、前記画素の縦方向の配列ピッチと横方向の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
In claim 6,
The ratio between the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the light source image formed by the polarized light generating means is substantially the same as the ratio between the vertical arrangement pitch and the horizontal arrangement pitch of the pixels. In addition, an optical characteristic of the light beam splitting means is determined.
請求項6において、
前記光束分割手段によって形成される前記複数の光源像の縦の配列ピッチの2分の1と横の配列ピッチとの比が、前記画素の縦の配列ピッチと横の配列ピッチとの比と略同一となるように、前記光束分割手段の光学特性が決定されていることを特徴とする投写型表示装置。
In claim 6,
The ratio of the vertical array pitch of the plurality of light source images formed by the light beam splitting means to the horizontal array pitch is substantially the same as the ratio of the vertical array pitch and the horizontal array pitch of the pixels. A projection display apparatus, wherein optical characteristics of the light beam splitting means are determined so as to be the same.
請求項6から8のいずれかにおいて、
前記光束分割手段は略同一平面上に配列された複数の矩形の光束分割レンズを備え、
前記矩形の光束分割レンズの縦横比が、前記変調手段の被照明領域の縦横比と略同一であることを特徴とする投写型表示装置。
In any of claims 6 to 8,
The beam splitting means includes a plurality of rectangular beam splitting lenses arranged on substantially the same plane,
A projection display apparatus, wherein an aspect ratio of the rectangular beam splitting lens is substantially the same as an aspect ratio of an illuminated area of the modulating means.
請求項9において、
前記光束分割レンズの一部、あるいは、全部が偏心レンズであることを特徴とする投写型表示装置。
In claim 9,
A projection display device, wherein a part or all of the light beam splitting lens is an eccentric lens.
請求項6から8のいずれかにおいて、
前記光束分割手段は、
略同一平面上に配列された複数の同心レンズからなる第1のレンズ板と、
略同一平面上に配列された複数のシリンドリカルレンズからなる第2のレンズ板とからなることを特徴とする投写型表示装置。
In any of claims 6 to 8,
The beam splitting means is
A first lens plate comprising a plurality of concentric lenses arranged on substantially the same plane;
A projection display device comprising: a second lens plate comprising a plurality of cylindrical lenses arranged on substantially the same plane.
請求項6において、
前記マイクロレンズの一部または全部がトーリック形状のレンズであることを特徴とする投写型表示装置。
In claim 6,
A projection display device, wherein a part or all of the microlens is a toric lens.
請求項6から12のいずれかにおいて、
前記偏光分離手段は、
前記複数の中間光束のそれぞれを2種類の偏光方向を有する偏光光束に分離する偏光分離面、及び、前記偏光分離面と平行に形成され、前記偏光分離面により分離された2種類の偏光光束のうち一方を他方の偏光光束の出射方向と略同一方向に出射させる反射面を備えた偏光分離ユニットを複数有することを特徴とする投写型表示装置。
In any of claims 6 to 12,
The polarization separation means includes
A polarization separation surface that separates each of the plurality of intermediate light beams into polarized light beams having two types of polarization directions, and two types of polarized light beams that are formed in parallel with the polarization separation surface and separated by the polarization separation surface. A projection display device comprising a plurality of polarization separation units each having a reflecting surface for emitting one of the polarized light beams in the substantially same direction as that of the other polarized light beam.
請求項6から13のいずれかにおいて、
前記マイクロレンズは屈折率分布型のマイクロレンズによって構成されたことを特徴とする投写型表示装置。
In any of claims 6 to 13,
The projection display device, wherein the microlens is constituted by a refractive index distribution type microlens.
請求項6から14のいずれかにおいて、
前記マイクロレンズは最密充填されたマイクロレンズによって構成されたことを特徴とする投写型表示装置。
In any of claims 6 to 14,
The projection display device according to claim 1, wherein the microlens is constituted by a close-packed microlens.
請求項6から15のいずれかにおいて、
前記光源からの出射光を2以上の色光に分離する色光分離手段と、
前記色光分離手段によって分離された各色光をそれぞれ変調する複数の前記変調手段と、
それぞれの前記変調手段で変調された各色光を合成する色光合成手段と、
前記色合成手段により合成された各色光を投射する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
In any of claims 6 to 15,
Color light separation means for separating light emitted from the light source into two or more color lights;
A plurality of said modulation means for modulating each color light separated by said color light separation means;
Color light combining means for combining the respective color lights modulated by the respective modulation means;
And a projection optical system for projecting each color light synthesized by the color synthesis means.
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