JP3976720B2 - 映像光生成装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、立方体形状の色分離合成素子を備えて構成される映像光生成装置及び投写型映像表示装置に関する。

図５は立方体形状の色分離合成素子２０を用いた液晶プロジェクタを示した斜視図である。この液晶プロジェクタは本願出願人による先の特許出願において開示されているものである（特許文献１参照）。色分離合成素子２０は、光源部１０に対向させる光入射面と、各反射型の液晶パネル３１，３２，３３に対向させる３つの光出入面と、投写光学系４０に対向させる光出射面と、他の１面とを備える。その内部には前記光源部１０より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入面より出射させるとともに、各光出入面に対向して配置した反射型の液晶表示パネル３１，３２，３３で偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して光出射面より投写光学系４０に与える色分離合成手段５０を備える。

色分離合成手段５０は、例えば、誘電体多層膜にて形成されており、図７，図８，図９に示すように、３つの光学面５１，５２，５３から成る。赤色光は光学面５１を透過して赤色用の液晶表示パネル３１で反射して戻り、光学面５１にて反射して光出射面より出射する。緑色光は光学面５１にて反射して緑色用の液晶表示パネル３２で反射して戻り、光学面５１を透過して光出射面より出射する。青色光は光学面５２にて反射して青色用の液晶表示パネル３３で反射して戻り、光学面５３にて反射して光出射面より出射する。

図６は上記の反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した説明図である。同図（ｂ）では光源部１０と色分離合成素子２０と反射型の液晶表示パネル３１との関係を簡略化して（位相差板等も省略して）示しており、同図（ａ）には反射型の液晶表示パネル３１による反射光（変調光）と色分離合成手段５０の光学面５３との関係を示している。ランプ１１の光出射側にはインテグレータレンズ６２が配置されている。インテグレータレンズ６２は、一対のレンズアレイ６２ａ，６２ｂから構成され、個々の凸レンズが反射型の液晶パネル３１（３２，３３）の全面を照射するように設計されており、ランプ１１から出射された光に存在する部分的な輝度ムラを平均化して画面中央と周辺部とでの光量差を低減するものである。インテグレータレンズ６２から出射された光はコンデンサレンズ６３，６４を経て色分離合成素子２０の光入射面に入射する。
特開２００２−１６２５２０号

図６に示したように、入射側レンズアレイ６２ａの一つの凸レンズに入射した光は、出射側レンズアレイ６２ｂの対応する凸レンズ付近で焦点を結び、コンデンサレンズ６３，６４によって中心方向に屈折して液晶表示パネル３１に斜めに導かれ、この液晶表示パネル３１にて反射した光は斜めに色分離合成素子２０に入射することになる。一例として、色分離合成手段５０における光学面５３は、赤色用の液晶表示パネル３１の光入出射方向に平行に配置されており、赤色用の液晶表示パネル３１にて反射して斜めに入射してくる変調光の一部を反射させる。図６（ｃ）に示すように、液晶表示パネル３１の反射後に光学面５３に到達する光は全反射し、パネル上の点ａにて変調された光があたかもパネル上の点ｂから出射したかのようにスクリーン上の対応する位置に結像する。また、図６（ａ）に示すように、液晶表示パネル３１による反射後に光学面５３に到達しない光で、そのままパネル上の点ｂにて変調された光は、スクリーン上の対応する位置に結像する。このことにより、スクリーン上の点ｂに相当する位置には、パネルの点ａと点ｂの２点からの光が重畳して結象することになり、二重像が発生する。

そこで、本願出願人は、上記二重像の発生を防止できる反射型液晶プロジェクタ用光学系として、図１０に示す構造を提案した。かかる構造において、ランプ１１の光出射側には、第１インテグレータレンズ６５及び第２インテグレータレンズ６６が配置される。第１インテグレータレンズ６５により第１光束が生成され、第２インテグレータレンズ６６により第２光束が生成される。

第１インテグレータレンズ６５は、一対のレンズアレイ６５ａ，６５ｂから構成され、個々の凸レンズ（凸レンズの向きが光入射側か光出射側かは問わない）が反射型の液晶パネル３１の第１照射領域を照射する。すなわち、第１インテグレータレンズ６５において、入射側レンズアレイ６５ａの一つの凸レンズに入射した光は、出射側レンズアレイ６５ｂの対応する凸レンズ付近で焦点を結び、コンデンサレンズ６３によって屈折し、色分離合成手段５０の光学面５３に交わるようにして液晶表示パネル３１に導かれる。

第２インテグレータレンズ６６は、一対のレンズアレイ６６ａ，６６ｂから構成され、個々の凸レンズ（凸レンズの向きが光入射側か光出射側かは問わない）が反射型の液晶パネル３１の第２照射領域を照射する。すなわち、第２インテグレータレンズ６６において、入射側レンズアレイ６６ａの一つの凸レンズに入射した光は、出射側レンズアレイ６６ｂの対応する凸レンズ付近で焦点を結び、コンデンサレンズ６３によって屈折し、色分離合成手段５０の光学面５３に交わるようにして液晶表示パネル３１に導かれる。

このように、第１インテグレータレンズ６５と第２インテグレータレンズ６６とにより、光源１０からの光は二光束化される。そして、当該二光束は色分離合成手段５０の光学面５３で互いに交差して液晶パネル３１の第１照射領域と第２照射領域とに導かれることになる。

かかる構成により、反射型の液晶表示パネル３１にて変調された反射光は色分離合成手段５０の光学面５３から離れていく方向に反射し、色分離合成手段５０の光学面５３を横切ることがなくなるので、色分離合成手段５０の光学面５３での全反射と透過による二重像の形成が防止されることになる。なお、二光束が光学面５３に入射する際に透過と全反射が生じることになるが、液晶表示パネル入射前における光学面の一方の面での全反射は他方の面での全反射と相殺されることになり、液晶表示パネルの第１，第２照射領域での明るさにアンバランスが生じるわけではない。

しかしながら、上記の光学系では、図中点線で示しているように、例えば、レンズアレイ６６ａの或る凸レンズから出射される光のうち、それに対応するレンズアレイ６６ｂの凸レンズ以外の凸レンズに導かれた光（２次光）は、色分離合成手段５０の光学面５３で交差できずに液晶パネル３１に導かれることになり、二重像の発生を確実に防止できないことになる。

この発明は、上記の事情に鑑み、二重像の発生を確実に防止できる投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる映像光生成装置は、上記の課題を解決するために、透明立方体内に複数の互いに異なる面の色分離合成手段が配置され、光源からの所定偏光を立方体第１面に入射し、立方体第２面と第３面と第４面に各々対面配置された反射型光変調素子に光を与えると共にその反射変調光を入射し、入射した各反射変調光を合成して第５面から出射する色分離合成素子を備えた映像光生成装置において、光源からの光を２本のロッドインテグレータにて二光束化し、当該二光束が所定の色分離合成手段の面で互いに交差して所定の反射型光変調素子の第１照射領域と第２照射領域に導かれるように構成されたことを特徴とする。

上記の構成であれば、二光束が色分離合成手段の面で互いに交差した上で反射型光変調素子の第１照射領域と第２照射領域に導かれるため、反射型光変調素子にて変調された反射光は光軸に平行な光学面から離れていく方向に反射し、光軸に平行な光学面を横切ることがなくなるので、光軸に平行な光学面での全反射と透過による二重像の形成が防止されることになる。そして、前記二光束は２本のロッドインテグレータにて完全に分離されて独立したかたちで与えられるので、二重像の形成が確実に防止される。

曲面形状リフレクタを備えた光源を有し、前記光源からの略平行光を集光して前記２本のロッドインテグレータの光入射面に導くように構成されていてもよい。また、一つの発光点に対して二つの集光点を形成するリフレクタを備えた光源を有し、前記光源の二つの集光点位置付近に前記２本のロッドインテグレータの光入射面を各々配置した構成としてもよい。また、二つの光源を備え、各光源からの光が前記２本のロッドインテグレータの光入射面に各々導かれるように構成されていてもよい。各光源は固体光源から成るものでもよい。

前記色分離合成素子の光入射側位置に単体の光学素子を有し、交差状に到来する二光束が前記光学素子にて屈折されるように構成されているのがよい。また、前記２本のロッドインテグレータにおける光出射側に配置される光学系には、少なくとも、各ロッドインテグレータからの出射光を集光する第１光学要素と、その集光点付近に配置された第２光学要素とを備えているのがよい。前記２本のロッドインテグレータは平行に配置され、前記光学系には前記第２光学要素を経た光を屈折させて交差させる第３光学要素が備えられていてもよい。或いは、前記２本のロッドインテグレータは非平行に配置され、前記第２光学要素を経た光を交差させるように構成されていてもよい。

反射型光変調素子のアスペクト比をＡ：Ｂとすると、第１照射領域及び第２照射領域はＡ：Ｂ／２に領域分けされているのがよい。

また、これらの映像光生成装置は、光源と、色分離合成素子と、光源から色分離合成素子に至る光学要素と、を含んでユニット化されているのがよい。

また、この発明の投写型映像表示装置は、上述したいずれかの映像光生成装置を備えたことを特徴とする。

以上説明したように、この発明の投写型映像表示装置であれば、透明立方体内に複数の互いに異なる面の色分離合成手段が配置され、光源からの所定偏光を立方体第１面に入射し、立方体第２面と第３面と第４面に各々対面配置された反射型光変調素子に光を与えると共にその反射変調光を入射し、入射した各反射変調光を合成して第５面から出射する色分離合成素子を備える構成において、色分離合成手段による反射変調光の全反射を防止し、二重像が発生するのを防止することができる。そして、前記二光束は２本のロッドインテグレータにて完全に分離されて独立したかたちで与えられるので、二重像の形成が確実に防止される。

（実施形態１）
以下、この発明の第１の実施形態の反射型液晶プロジェクタを図１及び図２、並びに従来項で用いた図５に基づいて説明する。なお、この実施形態の反射型液晶プロジェクタは、従来項の図５に示した光学部材及び配置形態を有して構成される。すなわち、色分離合成素子２０は、光源部１０に対向させる光入射面と、各反射型の液晶パネル３１，３２，３３に対向させる３つの光出入面と、投写光学系４０に対向させる光出射面と、他の１面とを備える。その内部には前記光源部１０より入射した光を３原色の色成分に分光して対応する光出入面より出射させるとともに、各光出入面に対向して配置した反射型の液晶表示パネル３１，３２，３３で偏光方向を９０°回転させて反射した３原色の色成分を合成して光出射面より投写光学系４０に与える色分離合成手段５０を備える。各光学要素の詳細は特開２００２−１６２５２０号公報に示している通りである。また、以下に述べることは各色光において生じることであるが、一例として、赤色用の液晶表示パネル３１について説明している。

図１は、色分離合成手段５０における光学面５３と赤色用の液晶表示パネル３１との関係を示した斜視図である。液晶表示パネル３１の中央ライン（点線で示している）は、光学面５３と平行にしてある。液晶表示パネル３１の中央水平ラインを境に一方は第１照射領域とされ、他方は第２照射領域とされる。液晶表示パネル３１のアスペクト比をＡ：Ｂとすると、第１照射領域及び第２照射領域はＡ：Ｂ／２に領域分けされていることになる。第１照射領域には光源１０からの第１光束が導かれ、第２照射領域には光源１０から第２光束が導かれる。

図２はこの実施形態の反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した説明図であって、光源部１０と色分離合成手段５０と反射型の液晶表示パネル３１との関係を簡略化して（位相差板等も省略して）示している。

ランプ（超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等）１１の光出射側には、第１光束を生成する第１光束生成部１２及び第２光束を生成する第２光束生成部１３が配置されている。第１光束生成部１２は、集光レンズ１２ａ、ロッドインテグレータ１２ｂ、レンズ対１２ｃ・１２ｄを備えて成る。また、第２光束生成部１３は、集光レンズ１３ａ、ロッドインテグレータ１３ｂ、レンズ対１３ｃ・１３ｄを備えて成る。第１光束生成部１２及び第２光束生成部１３は同じ構成を有するので、以下、主に第１光束生成部１２について説明していく。

集光レンズ１２ａはランプ１１の光出射領域の半分を占めて配置されたものであり、前記半分の領域よりも大きな円形レンズを前記半分の領域に合わせて切り出したものである。集光レンズ１２ａの光軸中心は、ランプ１１の光軸中心とランプ１１の縁との中間に位置する。集光レンズ１２ａによって集光された光はロッドインテグレータ１２ｂの光入射端面に入射される。ロッドインテグレータ１２ｂに入射した光はロッドインテグレータ１２ｂ内で反射を繰り返し、ロッドインテグレータ１２ｂの光出射端面から出射される。なお、ロッドインテグレータ１２ｂ，１３ｂの出射側端面形状は、第１，第２照射領域の形状に対応させている。

レンズ対１２ｃ・１２ｄは、インテグレータレンズ対における一組のレンズ対に相当するものである。入射側レンズ１２ｃを通った光は出射側レンズ１２ｄ付近で焦点を結び、この出射側レンズ１２ｄから出射した光は、コンデンサレンズ１５・１６によって屈折し、色分離合成手段５０の光学面５３に交わるようにして液晶表示パネル３１の第１領域に導かれる。同様に、レンズ対１３ｃ・１３ｄは、インテグレータレンズ対における一組のレンズ対に相当するものである。入射側レンズ１３ｃを通った光は出射側レンズ１３ｄ付近で焦点を結び、この出射側レンズ１３ｄから出射した光は、コンデンサレンズ１５・１６によって屈折し、色分離合成手段５０の光学面５３に交わるようにして液晶表示パネル３１の第２領域に導かれる。コンデンサレンズ１６は色分離合成素子２０の光入射側位置に単体（一つ）のものとして存在しており、交差状に到来する二光束を受けてこれら光束を屈折させることになる。

また、レンズ対１２ｃ・１２ｄにおける出射側レンズ１２ｄ及びレンズ対１３ｃ・１３ｄにおける出射側レンズ１３ｄは、遮光板１４に形成された開口に装着されており、これらレンズを通る光以外の光が液晶パネル３１に導かれるのを防止している。

このように、第１光束生成部１２と第２光束生成部１３とにより、ランプ１１からの光は完全に分離されて独立した二光束になる。そして、当該二光束は色分離合成手段５０の光学面５３で互いに交差して液晶パネル３１の第１照射領域と第２照射領域とに導かれることになる。すなわち、反射型の液晶表示パネル３１にて変調された反射光は色分離合成手段５０の光学面５３から離れていく方向に反射し、色分離合成手段５０の光学面５３を横切ることがなくなるので、色分離合成手段５０の光学面５３での全反射と透過による二重像の形成が防止されることになる。更に、図１０に示したごとく多数の凸レンズ対から成るインテグレータレンズ対を用いて二光束化するのではなく、２本のロッドインテグレータによって完全に二光束を分離する構造であるため、二重像は確実に防止される。
（実施形態２）
以下、この発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。

図３（ａ）に示す投写型映像表示装置においては、ランプ１１′はパラボラリフレクタを備えており、略平行光を出射する。このランプ１１′の光出射側開口形状は略方形状（液晶パネル３１のアスペクト比に対応）とされ、その半分（液晶パネル３１の第１，第２照射領域に対応）を占めて第１ロッドインテグレータ１７Ａの光入射端面が位置し、残り半分を占めて第２ロッドインテグレータ１７Ｂの光入射端面が位置している。第１，第２ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂの光出射端面の大きさや位置関係は、図２に示したロッドインテグレータ１２ｂ，１３ｂの光出射端面の大きさや位置関係と同様である。また、第１，第２ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂの光出射端面以降の光学系については、図２に示したのと同様の構成を適用できる。

この図３（ａ）に示す構成であれば、図２に示した集光レンズ１２ａ，１３ａを不要にすることができ、光学系の部品点数の削減が図れる。

図３（ｂ）に示す投写型映像表示装置においては、ランプ１１″は二集光点楕円リフレクタを備える。この二集光点楕円リフレクタは、一つの発光点に対して二つの集光点を形成できるように構成されたものであり、例えば、一つの発光点に対して第１の集光点を形成する第１楕円リフレクタ領域と一つの発光点に対して第２の集光点を形成する第２楕円リフレクタ領域とを有して成る。第１の集光点には第１ロッドインテグレータ１８Ａの光入射端面が位置し、第２の集光点には第２ロッドインテグレータ１８Ｂの光入射端面が位置している。第１，第２ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂの配置関係は、図２に示したロッドインテグレータ１２ｂ，１３ｂの配置関係と同様である。また、第１，第２ロッドインテグレータ１８Ａ，１８Ｂの光出射端面以降の光学系については、図２に示したのと同様の構成を適用できる。

この図３（ｂ）に示す構成であれば、図２に示した集光レンズ１２ａ，１３ａを不要にすることができ、光学系の部品点数の削減が図れる。また、図３（ａ）に示した構成では、ロッドインテグレータ１７Ａ・１７Ｂは、その光入射端面よりも光出射端面の方が小さいためにロッド出射後の分散角分布が大きくなるが、図３（ｂ）に示した構成であれば、ロッドインテグレータの光入射端面と光出射端面の大きさを同じにしており、分散角分布の拡大を防止することができる。

なお、ランプ１１″における二集光点位置以外の領域に反射体を設け、不要光をランプ１１″側に戻して光の有効利用を図るようにしてもよい。また、色分離合成素子２０へは所定の偏光を導くことになるが、そのための偏光変換装置は、ロッドインテグレータの光入射側に設けるよりも、図３（ｃ）に示すごとく、ロッドインテグレータの光出射端面に設けるのがよい。勿論、ロッドインテグレータの光出射端面以降で色分離合成素子２０の光入射手前位置であれば、どの位置に配置しても構わない。図３（ｃ）に示す偏光変換装置は、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと称する）によって構成されている。ＰＢＳは偏光分離膜と位相差板（１／２λ板）とを備える。ＰＢＳの偏光分離膜は入射光のうち例えばＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路変更する。光路変更されたＳ偏光は隣接の全反射ミラー（プリズムでもよい）にて反射されて出射される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光はその前側（光出射側）に設けてある前記位相差板（１／２λ板）によってＳ偏光に変換されて出射される。すなわち、この例では、ほぼ全ての光はＳ偏光に変換されることになる。
（実施形態３）
以下、この発明の第２の実施形態を図４（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。

図４（ａ）に示す投写型映像表示装置では、第１，第２ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂはその光軸（中心線）が交差するように配置されている。この光軸交差配置によって、図２に示した交差屈折用の集光レンズ１５を不要にすることができる。各ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂの光入射端面には、固体発光素子（例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）等）をアレイ状に配置して成る光源１９Ａ・１９Ｂが設けられている。かかる光源１９Ａ・１９Ｂの光強度分布はアレイ状配置のために不均一となるが、ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂを通ることで重畳され、ロッドインテグレータ１７Ａ，１７Ｂの光出射端面からは強度分布が均一化された光が出射される。

図４（ｂ）に示す投写型映像表示装置においては、ランプ１１″の第１の集光点には第１ロッドインテグレータ１８Ａの光入射端面が位置し、第２の集光点には第２ロッドインテグレータ１８Ｂの光入射端面が位置している。第１，第２ロッドインテグレータ１８Ａ，１８Ｂはその光軸（中心線）が交差するように配置されている。この光軸交差配置によって、図２に示した交差屈折用の集光レンズ１５を不要にすることができる。

なお、図４（ａ）以外の構成においても、固体光源（ＬＥＤや半導体レーザなど）を用いてもよいものである。また、上述したランプ（光源）と、色分離合成素子と、ランプ（光源）から色分離合成素子に至る光学要素（ロッドインテグレータ等）と、を含んでユニット化されているのがよい。

この発明の実施形態の反射型液晶プロジェクタにおける色分離合成手段の光学面と赤色用の液晶表示パネルとの関係を示した斜視図である。 この発明の第１の実施形態の反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した平面図である。 同図（ａ）（ｂ）はこの発明の第２の実施形態の反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した平面図であり、同図（ｃ）は偏光変換の一例を示した説明図である。 同図（ａ）（ｂ）はこの発明の第３の実施形態の反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した平面図である。 立方体形状の色分離合成素子を有した反射型液晶プロジェクタの概要を示した斜視図である。 従来の反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した平面図である。 色分離合成手段の光学面と光入出射光との関係を示した説明図である。 色分離合成手段の光学面と光入出射光との関係を示した説明図である。 色分離合成手段の光学面と光入出射光との関係を示した説明図である。 本願出願人が先に提案した反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した平面図である。

符号の説明

１０ 光源
１１ ランプ
１１′ ランプ
１１″ ランプ
１２ 第１光束生成部
１２ａ 集光レンズ
１２ｂ ロッドインテグレータ
１３ 第２光束生成部
１３ａ 集光レンズ
１３ｂ ロッドインテグレータ
１７Ａ，１７Ｂ ロッドインテグレータ
１８Ａ，１８Ｂ ロッドインテグレータ
２０ 色分離合成素子
３１，３２，３３ 反射型の液晶表示パネル
５０ 色分離合成手段
５１，５２，５３ 光学面

Claims (6)

1. 透明立方体内に３つの互いに異なる光学面からなる色分離合成手段が配置され、前記３つの光学面は一つの線で交わり、光源からの所定偏光を立方体第１面に入射し、立方体第２面と第３面と第４面に各々対面配置された反射型光変調素子に光を与えると共にその反射変調光を入射し、入射した各反射変調光を合成して第５面から出射する色分離合成素子を備えた投写型映像表示装置において、
   光源からの所定偏光を２本のロッドインテグレータにて二光束化し、当該二光束が前記色分離合成手段の前記光学面に向かって進み、当該光学面で互いに交差する状態を経て、前記反射型光変調素子上の前記一つの線の投影線を境にして領域分けされる第１照射領域と第２照射領域とに各々導かれるように構成されたことを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の映像光生成装置において、二つの光源を備え、各光源からの光が前記２本のロッドインテグレータの光入射面に各々導かれるように構成されたことを特徴とする映像光生成装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の映像光生成装置において、前記光源は固体光源から成ることを特徴とする映像光生成装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の映像光生成装置において、前記色分離合成素子の光入射側位置に単体の光学素子を有し、交差状に到来する二光束が前記光学素子にて屈折されるように構成されたことを特徴とする映像光生成装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の映像光生成装置において、前記２本のロッドインテグレータにおける光出射側に配置される光学系には、少なくとも、各ロッドインテグレータからの出射光を集光する第１光学要素と、その集光点付近に配置された第２光学要素とを備えていることを特徴とする映像光生成装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の映像光生成装置を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。

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