JP3763219B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系により表示素子を照明して投影画像を形成し、投影光学系により投影画像を投影する構成のプロジェクタに関し、特に反射型液晶表示素子と、照明光を反射して反射型液晶に与えるともに反射型液晶からの光を透過して投影光学系に与える偏光分離素子とを有するプロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタにおける表示素子としては、例えば反射型液晶表示素子がある。これは、透過型液晶表示素子に比べて、開口率が大きいなどの利点がある。特に、コレステリック液晶からなる反射型液晶においては、反射率が高い、シリコン基板上にドライバＩＣと一体で構成できるなどの利点が多く、近年注目されている。
【０００３】
反射型液晶表示素子を最も効率よく照明するためには、表示素子を真正面から照明することが望ましい。しかし、そのように照明装置を配置すると、照明装置が表示素子からの反射光を遮断することになり、観察ができない。これを防ぐために、従来のプロジェクタにおいては、例えば偏光分離プリズムを用いている。
【０００４】
偏光分離プリズムを用いた従来のプロジェクタの一例を図６に示す。図６は、プロジェクタの概略構成を示す水平断面図である。プロジェクタ１００は光源１０１、反射傘１０２、平行変換レンズ１０３より成る照明光学系１０７と、偏光分離プリズム１０４と、反射型液晶表示素子１０５と、複数のレンズから成るテレセントリックな投影光学系１０６とから構成されている。
【０００５】
光源１０１で発光された白色光は、反射傘１０２で反射され、平行変換レンズ１０３により平行光に変換されて偏光分離プリズム１０４に入射する。偏光分離プリズム１０４は、Ｓ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過する偏光分離面１０４ａを有する。偏光分離面１０４ａで反射されたＳ偏光成分は、反射型液晶表示素子１０５を照明し、ここで光学画像が形成される。光学画像を形成する光は、反射型液晶表示素子１０５における反射によりＰ偏光成分に偏光される。
【０００６】
反射型液晶表示素子１０５から出射される光学画像を形成するＰ偏光成分は偏光分離面１０４ａを透過し、投影光学系１０６により不図示のスクリーン上に投影される。このプロジェクタ１００においては、映像光を遮断することなく反射型液晶表示素子１０５の正面からの照明が達成される。また、反射型液晶表示素子１０５を照明する照明光は偏光されなければならないが、このことに関しても偏光分離プリズム１０４により達成される。偏光分離プリズム１０４は、正面からの照明を達成するだけでなく、白色光源１０１から出射されるランダム偏光から特定の偏光成分のみを取り出して照明光とする役割を担う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のプロジェクタにおいては、偏光分離プリズムとして大きなプリズムが必要であるためにコストが高くなる。この問題を解決するため、最近開発されたより安価な偏光分離シートを偏光分離プリズムに置き換えた構成も考えられる。尚、偏光分離シートについては、公知であるので詳細は述べないが、複屈折材料などを層状に積層してシート状に形成したもので、偏光分離プリズムと同様の作用が得られる。
【０００８】
しかし、偏光分離シートを設けた場合、偏光分離プリズムにおけるガラスブロック部分が空気になるので、光路長が長くなる。よって、投影光学系のレンズバックが長くなり、投影光学系が大型化する。
【０００９】
長いレンズバックの投影光学系において、各投影レンズを小型化するためには、投影光学系を非テレセントリック（反射型液晶表示素子から投影光学系に向かうにしたがい主光線がしぼむ方向の非テレセントリック）な光学系とすればよいが、この場合も問題点が生じる。以下、図７を用いてこの問題点について説明する。
【００１０】
図７は、偏光分離シートと、非テレセントリックな投影光学系を備えたプロジェクタの概略構成の一例を示す水平断面図である。プロジェクタ１０８は、図１０に示すプロジェクタ１００とは、平行変換レンズ１０３代えて照明レンズ群１０９が、偏光分離プリズム１０４に代えて偏光分離シート１１０が、テレセントリックな投影光学系１０６に代えて非テレセントリックな投影光学系１１１が構成されている点のみ異なる。その他の構成、作用等は同じなので、重複する説明を省略する。
【００１１】
プロジェクタ１０８において、投影光学系１１１の非テレセントリックな度合いを強めるほど各投影レンズを小型化できるが、反射型液晶表示素子１０５に必要な照明光としては反射型液晶表示素子１０５から逆に向かうにしたがい発散する光束が必要となり、その光束を受けとめる大きな偏光分離シート１１０が必要となる。大きな偏光分離シート１１０を設けた場合、それを配置する分、投影光学系１１１のレンズバックが長くなってしまう。また、照明レンズ群１０９も大きくなってしまう。
【００１２】
本発明は、上記問題点を鑑みて、偏光分離素子のコストを抑え、かつ小型なプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、映像信号に基づき照明光を空間変調して投影用の光学画像を形成する反射型液晶表示素子と、前記照明光を生成する照明光学系と、前記光学画像を投影画面上に投影する投影光学系と、前記照明光の第１の偏光成分を反射して前記反射型液晶表示素子に与えるとともに、前記反射型液晶表示素子で反射され第１の偏光成分から第２の偏光成分に偏光された前記光学画像を形成する光を透過して前記投影光学系に与える偏光分離素子とを備えたプロジェクタにおいて、前記偏光分離素子は湾曲された偏光分離シートである構成とする。
【００１４】
また、本発明は、上記構成のプロジェクタにおいて、前記偏光分離シートは、反射する前記照明光に対して一方向のみに曲率を有する凹面鏡として作用するように湾曲されており、かつ、前記偏光分離シートで生じる前記照明光の非点隔差を補正する光学素子を有し、前記非点隔差を補正する光学素子は、前記偏光分離シートがパワーを持たない断面にパワーを有するシリンダーレンズである構成とする。
【００１５】
さらに、本発明は、上記構成のプロジェクタにおいて、前記投影光学系は非テレセントリック光学系である構成とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〈第１の実施形態〉
図１は、第１の実施形態のプロジェクタの概略構成を示す水平断面図である。プロジェクタ１は、光源２、反射傘３、平行変換レンズ４、第１のレンズアレイ５、第２のレンズアレイ６よりなる照明光学系７と、シリンダーレンズ８と、Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過する偏光分離シート９と、反射型液晶表示素子１０と、複数の投影レンズからなる非テレセントリックな投影光学系１１とを有する構成である。
【００１７】
光源２から発光された白色光は直接あるいは反射傘３で反射されて平行変換レンズ４に入射し、平行光に変換されて出射され第１のレンズアレイ５に入射する。そして、第１のレンズアレイ５で複数の光束に分離された後、第２のレンズアレイ６に入射され、複数個の光源像が形成される。第１のレンズアレイ５は反射型液晶表示素子１０と共役関係にある。第２のレンズアレイ６は光源２と共役関係にあり個々のレンズは二次光源となっている。照明光学系７により、反射型液晶表示素子１０への均一な照明が達成される。
【００１８】
照明光学系７から出射された光は、シリンダーレンズ８を介して偏光分離シート９に入射し、Ｓ偏光成分のみが反射されて反射型液晶表示素子１０に与えられる。反射型液晶表示素子１０においては、光学画像が形成される。光学画像を形成する光は、反射型液晶表示素子１０で反射されＳ偏光成分からＰ偏光成分に偏光される。この光は、偏光分離シート９を透過し、投影光学系１１により不図示のスクリーン上に投影される。
【００１９】
本実施形態のプロジェクタ１の投影光学系１１は、反射型液晶表示素子１０から投影光学系１１へ向かうにしたがって主光線がしぼむ方向に非テレセントリックな光学系となっている。このような構成により、投影光学系１１の各投影レンズを小型化できる。
【００２０】
偏光分離シート９は、反射する照明光に対して図１の紙面平行方向のみに曲率を有する凹面鏡として作用するように湾曲されている。（以下、凹シリンダー面形状という）。よって、偏光分離シート９から照明光学系７方向に向かう光束（逆光束）が収束するように構成できるので、シリンダーレンズ８および照明光学系７を小さく構成できる。さらに、偏光分離シート９は照明光を受けとめるために十分な大きさを有するが、湾曲されているために、偏光分離シート９の大きさが投影光学系１１のレンズバックに与える影響は小さい。
【００２１】
また、偏光分離シート９は、曲率を有する方向（紙面平行方向）の両端において、反射型液晶表示素子１０側端（図１においてＢで示す）の方がもう一端（図１においてＡで示す）より小さい曲率を有する形状となっている。偏光分離シート９の各位置での逆光線の入射角度は異なるが、このように曲率の程度を変えることにより逆光束が良好に収束する。
【００２２】
シリンダーレンズ８は、図１の紙面垂直方向においてのみ曲率を有する凸レンズ形状となっている。図２に、シリンダーレンズ８、偏光分離シート９、反射型液晶表示素子１０を含む部分の上面斜視図を示す。図２において、図１の紙面垂直方向をダブルヘッドの矢印Ｃで示す。
【００２３】
図２からわかるように、シリンダーレンズ８は、矢印Ｃ方向のみに曲率を有する。偏光分離シート９が凹シリンダー面形状であるために、パワーを持った断面と持たない断面があり、断面によりパワーの異なる他の光学素子がなければ照明光に非点隔差が生じてしまう。シリンダーレンズ８は、この非点隔差が生じることを防ぐ光学素子である。シリンダーレンズ８は、上述のように偏光分離シート９がパワーを持たない断面にパワーを有する形状となっている。尚、偏光分離シート９において、矢印Ｃ方向にも曲率を有する構成も考えられるが、一方向のみにパワーを有する偏光分離シートの方が容易に作製できるので、上記のような構成とした。
【００２４】
尚、第１のレンズアレイ５は反射型液晶表示素子１０と共役関係にあるが、この二つの素子の間において、二つの光学素子が異なる方向にパワーを有するので（図１の紙面平行方向については偏光分離シート９がパワーを有し、紙面垂直方向についてはシリンダーレンズ８がパワーを有する）、第１のレンズアレイ５の各レンズと反射型液晶表示素子１０の各画素は相似関係でない方がよい。
【００２５】
〈第２の実施形態〉
図３は、第２の実施形態のプロジェクタの概略構成を示す水平断面図である。プロジェクタ１２は、カラー画像を投影可能である。プロジェクタ１２は、第１の実施形態のプロジェクタ１と同様な構成の照明光学系７と、照明光を色分離するクロスダイクロイックミラー１３、ダイクロイックミラー１５と、反射ミラー１４ａ、１４ｂと、Ｓ偏光成分を反射しＰ偏光成分を透過する３つの偏光分離シート１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂと、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各色に対応する反射型液晶表示素子１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂと、３色の光学画像を合成するクロスダイクロイックプリズム１８と、複数の投影レンズからなる非テレセントリックな投影光学系１９とを有する構成である。
【００２６】
照明光学系７から出射される照明光は、クロスダイクロイックミラー１３に入射する。クロスダイクロイックミラー１３のダイクロイックミラー１３ａは、Ｂの波長域の光のみを反射する。ダイクロイックミラー１３ｂは、Ｒ、Ｇの波長域の光を反射する。
【００２７】
ダイクロイックミラー１３ａで反射されたＢの波長域の光は、反射ミラー１４ａで反射され、偏光分離シート１６ＢでＳ偏光成分のみが反射されて、反射型液晶表示素子１７Ｂを照明する。反射型液晶表示素子１７ＢではＢの光学画像が形成される。Ｂの光学画像を形成する光は、反射型液晶表示素子１７Ｂで反射され、Ｐ偏光成分に偏光され、偏光分離シート１６Ｂを透過しクロスダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００２８】
ダイクロイックミラー１３ｂで反射された、Ｒ、Ｇの波長域の光は、反射ミラー１４ｂで反射され、ダイクロイックミラー１５に入射する。ダイクロイックミラー１５は、Ｇの波長域の光のみを反射する。ダイクロイックミラー１５で反射されたＧの波長域の光は、偏光分離シート１６ＧでＳ偏光成分のみが反射されて、反射型液晶表示素子１７Ｇを照明する。反射型液晶表示素子１７ＧではＧの光学画像が形成される。Ｇの光学画像を形成する光は、反射型液晶表示素子１７Ｂで反射され、Ｐ偏光成分に偏光され、偏光分離シート１６Ｇを透過しクロスダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００２９】
ダイクロイックミラー１５で透過されたＲの波長域の光は、偏光分離シート１６ＲでＳ偏光成分のみが反射されて、反射型液晶表示素子１７Ｒを照明する。反射型液晶表示素子１７ＲではＲの光学画像が形成される。Ｒの光学画像を形成する光は、反射型液晶表示素子１７Ｒで反射され、Ｐ偏光成分に偏光され、偏光分離シート１６Ｒを透過しクロスダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００３０】
クロスダイクロイックプリズム１８の面１８ａには、Ｂの波長域の光のみを反射するダイクロイックコートが施されている。面１８ｂには、Ｒの波長域の光のみを反射するダイクロイックコートが施されている。ダイクロイックプリズム１８では、各色の光学画像を形成する入射光のうち、Ｂの波長域の光が面１８ａで反射され、Ｒの波長域の光が面１８ｂで反射され、Ｇの波長域の光がいずれの面でも反射されることなく透過することにより３色の光学画像が合成される。合成された光学画像は、投影光学系１９により不図示のスクリーン上に投影される。
【００３１】
本実施形態のプロジェクタ１２の投影光学系１９は、各反射型液晶パネル１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂから投影光学系１９へ向かうにしたがって主光線がしぼむ方向に非テレセントリックな光学系となっている。このような構成により、投影光学系１９の各投影レンズを小型化できる。
【００３２】
また、偏光分離シート１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂは、反射する照明光に対して二方向に曲率を有する凹面鏡として作用するように湾曲されている（以下、凹面形状という）。よって、各偏光分離シート１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂから照明光学系７へ向かう逆光束が収束されるように構成できるので、ダイクロイックミラー１３、１５、照明光学系７を小型化できる。
【００３３】
〈第３の実施形態〉
図４は、第３の実施形態のプロジェクタの概略構成を示す水平断面図である。プロジェクタ２０は、カラー画像を投影可能である。プロジェクタ２０は、第２の実施形態のプロジェクタ１２とは、各反射型液晶表示素子１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの前面にコンデンサレンズ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂが設けられている点と、凹面形状の偏光分離シート１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂの代わりに形状の異なる偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを有する点のみ異なる。よって、第２の実施形態と重複する説明は避ける。
【００３４】
コンデンサレンズ２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、投影光学系１９方向への光束あるいは照明光学系７方向への逆光束を収束させる。よって、各反射型液晶表示素子１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂから対応する偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂまでの逆光束も収束され、偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂに入射される光束の幅が小さくなるので、偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを小さく構成できる。よって、投影光学系１９のレンズバックをより短くできる。
【００３５】
しかしながら、逆光束の収束度合いが大きすぎると、偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂから照明光学系７までの間のダイクロイックミラー１３等の素子を配置するための十分な空間が確保できないことが起こり得る。十分な空間を確保するために、本実施形態のプロジェクタ２０の偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、反射する照明光に対して二方向に曲率を有する凸面鏡として作用するように湾曲されている（以下、凸面形状という）。図５を用いて、凸面形状の偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂによる作用を示す。
【００３６】
図５には、凸面形状の偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと曲率を有さない平面形状の偏光分離シート２２'による逆光束の収束の度合いの違いを示す。偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂを備えた場合の逆光束を点線２３で、平面形状の偏光分離シート２２'を備えた場合の逆光束を実線２４で示す。
【００３７】
図５からわかるように、凸面形状の偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂにより逆光束の収束の度合いを小さくできる。よって、ダイクロイックミラー１３等を配置するための十分な空間を確保できるように構成できる。尚、偏光分離シート２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂの曲率は最適な大きさの空間が確保できる大きさとする。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のプロジェクタによると、偏光分離素子として偏光分離シートを用いることによりコストを抑えることができる。また、湾曲した偏光分離シートを用いることにより、照明光学系および投影光学系を小型に構成でき、装置全体の小型化を達成することが可能となる。
【００３９】
本発明のプロジェクタによると、投影光学系の構成レンズを小型化することができるので、装置全体を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態のプロジェクタの概略構成を示す水平断面図。
【図２】 第１の実施形態のプロジェクタの一部分の上面斜視図。
【図３】 第２の実施形態のプロジェクタの概略構成を示す水平断面図。
【図４】 第３の実施形態のプロジェクタの概略構成を示す水平断面図。
【図５】 形状の異なる２種類の偏光分離シートにおける逆光束を示す図。
【図６】 偏光分離プリズムを用いた従来のプロジェクタの構成例を示す図。
【図７】 平面形状の偏光分離シートを用いたプロジェクタの構成例を示す図。
【符号の説明】
１、１２、２０ プロジェクタ
２ 光源
３ 反射傘
７ 照明光学系
８ シリンダーレンズ
９ 凹シリンダー面形状の偏光分離シート
１０ 反射型液晶表示素子
１１、１９ 投影光学系
１３ クロスダイクロイックミラー
１５ ダイクロイックミラー
１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ 凹面形状の偏光分離シート
１７Ｒ、１７Ｇ、１６Ｂ 反射型液晶表示素子
１８ クロスダイクロイックプリズム
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ コンデンサレンズ
２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ 凸面形状の偏光分離シート

Claims (3)

1. 映像信号に基づき照明光を空間変調して投影用の光学画像を形成する反射型液晶表示素子と、前記照明光を生成する照明光学系と、前記光学画像を投影画面上に投影する投影光学系と、前記照明光の第１の偏光成分を反射して前記反射型液晶表示素子に与えるとともに、前記反射型液晶表示素子で反射され第１の偏光成分から第２の偏光成分に偏光された前記光学画像を形成する光を透過して前記投影光学系に与える偏光分離素子とを備えたプロジェクタにおいて、
   前記偏光分離素子は湾曲された偏光分離シートであることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記偏光分離シートは、反射する前記照明光に対して一方向のみに曲率を有する凹面鏡として作用するように湾曲されており、かつ、前記偏光分離シートで生じる前記照明光の非点隔差を補正する光学素子を有し、
   前記非点隔差を補正する光学素子は、前記偏光分離シートがパワーを持たない断面にパワーを有するシリンダーレンズであることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記投影光学系は非テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプロジェクタ。

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