JP4266865B2 - 色分離合成素子及び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、この色分離合成素子を備えて構成される映像光生成装置、及びこの映像光生成装置を備えて構成される投写型映像表示装置に関する。

図１２は立方体形状の色分離合成素子１２０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１２０は、光源部１１０に対向させる光入射面と、各反射型の液晶パネル１３１，１３２，１３３に対向させる３つの光出入面と、投写光学系１４０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１１０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１３１，１３２，１３３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１４０に与える色分離合成手段１５０を備える。

色分離合成手段１５０は、例えば、誘電体多層膜にて形成されており、図１３，図１４，図１５に示すように、３つの光学面１５１，１５２，１５３から成っている。赤色光は光学面１５１を透過して赤色用の液晶表示パネル１３１で反射して戻り、光学面１５１にて反射して光出射面より出射する。緑色光は光学面１５１にて反射して緑色用の液晶表示パネル１３２で反射して戻り、光学面１５１を透過して光出射面より出射する。青色光は光学面１５２にて反射して青色用の液晶表示パネル１３３で反射して戻り、光学面１５３にて反射して光出射面より出射する。
特開２００２−１６２５２０号

しかしながら、上記色分離合成素子１２０は立方体形状内に３つの光学面１５１，１５２，１５３が形成されて成るから、６つの４面体を組み合わせた構成になってしまう。従って、作製が難しく、また、映像光をねじるように反射を生じさせる光学面によってコントラストが低下するといった欠点がある。

この発明は、上記の事情に鑑み、構造が簡単で且つコントラストの低下が生じ難い色分離合成素子を提供することを目的とする。また、二重像の発生を防止できる映像光生成装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる色分離合成素子は、上記の課題を解決するために、透明立方体内に、当該立方体を三角柱状に二分する二分割面上に形成された第１光学作用面、及び他の二分割面上に形成された第２光学作用面を備えて成り、前記第１光学作用面は三原色光のうちの二原色光に対して第１偏光及び当該第１偏光に対して偏光方向が９０°異なる第２偏光ともに透過で他の一原色光に対して第１偏光透過で第２偏光反射の作用を有し、前記第２光学作用面は前記他の一原色光に対して第１偏光及び第２偏光ともに透過で前記二原色光に対して第１偏光透過で第２偏光反射の作用を有することを特徴とする。

上記の構成であれば、立方体形状内に二つの光学作用面が形成されて成るものであり、４つの光学部品を組み合わせる簡単な構成となるため、従来の６つの４面体から成る構成に比べて作製が容易になり、また、映像光をねじるように反射を生じさせる光学作用面も無くなるのでコントラストの低下も回避できる。

また、この発明にかかる色分離合成素子は、透明立方体内に互いに非平行となる第１光学作用面及び第２光学作用面を備え、立方体第１面と立方体第２面を光入射面とし、立方体第３面と立方体第４面と立方体第５面を光入出射面とし、立方体第６面を光出射面とするように構成され、前記立方体第１面に入射した所定偏光の一原色成分光が第１光学作用面を透過して立方体第３面から出射し、偏光方向を９０°回転させられて戻ってきた前記一原色成分光を立方体第３面から入射し、この一原色成分光を第１光学作用面にて反射して前記光出射面から出射し、前記立方体第２面に入射した二原色成分光のうち所定偏光の一原色成分光が第２光学作用面を透過して立方体第４面から出射し、偏光方向を９０°回転させられて戻ってきた前記一原色成分光を立方体第４面から入射し、この一原色成分光を第２光学作用面にて反射して前記光出射面から出射し、前記立方体第２面に入射した二原色成分光のうち所定偏光の他の一原色成分光が第２光学作用面にて反射して立方体第５面から出射し、偏光方向を９０°回転させられて戻ってきた前記一原色成分光を立方体第５面から入射し、この一原色成分光が第２光学作用面を透過して前記光出射面から出射す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、立方体形状内に二つの光学作用面が形成されて成るものであり、４つの光学部品を組み合わせる簡単な構成となるため、従来の６つの４面体から成る構成に比べて作製が容易になり、また、映像光をねじるように反射を生じさせる光学作用面も無くなるのでコントラストの低下も回避できる。

また、この発明の映像光生成装置は、前述した色分離合成素子と、この色分離合成素子の立方体第３面と立方体第４面と立方体第５面に各々設けられた３つの反射型光変調素子と、白色光を出射する光源と、前記光源から出射された白色光を一原色成分光と所定偏光の二原色成分とに分離する分離手段と、前記二原色成分光のうち一原色成分光の偏光方向を９０°回転させる狭帯域位相差発生手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明の映像光生成装置は、前述した色分離合成素子と、この色分離合成素子の立方体第３面と立方体第４面と立方体第５面に各々設けられた３つの反射型光変調素子と、所定偏光の一原色成分光を出射する第１の光源部と、互いに偏光方向が９０°異なる二原色成分を出射する第２の光源部と、を備えたことを特徴とする。かかる構成において、前記第２の光源部は、二原色成分光のうち一原色成分光の偏光方向を９０°回転させる狭帯域位相差発生手段を備えてもよい。また、前記第２の光源部は、互いに偏光方向が９０°異なる二原色成分光を出射する二つの光源と、前記二原色成分光を受光して合成する合成手段とを備えてもよい。

また、上述した映像光生成装置において、前記光源又は光源部は固体発光手段を備えて成るものでもよい。また、入射された光の偏光方向を揃える偏光変換手段を備えてもよい。

また、これら映像光生成装置において、光源からの光を二光束化し、当該二光束が前記光学作用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ていてもよい。これにより、二重像の発生を防止できることになる。また、かかる構成において、個々の凸レンズが前記光源からの光を前記反射型光変調素子の第１照射領域に導くように入射側レンズアレイと出射側レンズアレイとを有して構成された第１インテグレータレンズと、個々の凸レンズが前記光源からの光を前記反射型光変調素子の第２照射領域に導くように入射側レンズアレイと出射側レンズアレイとを有して構成された第２インテグレータレンズと、を備えて構成されていても良い。また、二光束の照射角度の調節機構を備えてもよい。また、二光束の照射開始位置をシフトさせる機構を備えてもよい。また、各出射側レンズアレイの出射側にそれぞれ集光レンズを備え、各集光レンズを光軸に直交する方向に移動調節可能に設け、二光束の照射角度の調節が行えるように構成してもよい。また、各出射側レンズアレイの光出射側にそれぞれ集光レンズを備えて各インテグレータレンズ及びこれに対応する集光レンズの組を形成し、各組を個別に位置シフトできるように設け、二光束の照射開始位置のシフト操作が行えるように構成してもよいものである。

上記した二組のインテグレータレンズによる二光束化に代えて、２本のロッドインテグレータを用いるようにしてもよい。かかる構成において、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。

上述した２本のロッドインテグレータを用いる構成において、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てもよい。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ものでもよい。更に、この構成において、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。

上述した映像光生成装置において、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、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、この発明の色分離合成素子は、立方体形状内に二つの光学作用面が形成されて成るものであり、４つの光学部品を組み合わせる簡単な構成となるため、従来の６つの４面体から成る構成に比べて作製が容易になり、また、映像光をねじるように反射を生じさせる光学作用面も無くなるのでコントラストの低下も回避できる。また、光学作用面上で光が交差するように導かれる構成の映像光生成装置であれば、二重像の発生を抑制できる。また、光学作用面上で光が交差するように導かれる構成として二本のロッドインテグレータを用いる構成であれば、前記二重像の発生を確実に防止できることになる。

以下、この発明の実施形態の色分離合成素子を図１及び図２に基づいて説明していく。

色分離合成素子５０は、図１に示すように、透明ガラス立方体内に、当該立方体を三角柱に二分する分割面上に形成された多層誘電体膜等から成る第１光学作用面５０ａ及び他の分割面上に形成された多層誘電体膜等から成る第２光学作用面５０ｂを備える。例えば、第１光学作用面５０ａは、図２（ａ）に示すように、透明立方体の奥側上辺から手前側下辺を結ぶように配置される。この第１光学作用面５０ａは、赤色光について、Ｐ偏光及びＳ偏光共に透過の作用を有し、緑色光について、Ｐ偏光及びＳ偏光共に透過の作用を有し、青色光について、Ｐ偏光は透過でＳ偏光は反射の作用を有する。また、第２光学作用面５０ｂは、図２（ｂ）に示すように、透明立方体の左奥側の縦辺から右手前側の縦辺を結ぶように配置される。この第２光学作用面５０ｂは、赤色光について、Ｐ偏光は透過でＳ偏光は反射の作用を有し、緑色光について、Ｐ偏光は透過でＳ偏光は反射の作用を有し、青色光について、Ｐ偏光及びＳ偏光共に透過の作用を有する。

色分離合成素子５０は、図１において、立方体第１面（図において下側の面）と立方体第２面（右側の面）を光入射面とし、立方体第３面（上側の面）と立方体第４面（左側の面）と立方体第５面（奥側の面）を各々３枚の反射型液晶表示パネル３１の対向面とし、立方体第６面（手前側の面）を光出射面とする。

青色光用の反射型液晶表示パネル３１Ｂは立方体第３面（上側の面）に対面して配置される。反射型液晶表示パネルは、各色について表示すべき部分の画素が入射光（照明光）の偏光方向を９０°回転させて反射する（変調する）ように構成されたものである。立方体第１面（下側の面）にはＰ偏光の青色光が入射される。入射した青色Ｐ偏光は第１光学作用面５０ａを透過して反射型液晶表示パネル３１Ｂに至り、この反射型液晶表示パネル３１Ｂによって偏光方向が９０°回転されてＳ偏光の変調光となって反射されてくる。このＳ偏光の青色変調光は、第１光学作用面５０ａにて反射することになり、前記光出射面から出射されることになる。

赤色光用の反射型液晶表示パネル３１Ｒは立方体第４面（左側の面）に対面して配置され、緑色光用の反射型液晶表示パネル３１Ｇは立方体第５面（奥側の面）に対面してが配置される。そして、立方体第２面（右側の面）にはイエロー光（Ｐ偏光の赤色光とＳ偏光の緑色光）が入射される。

入射されたイエロー光のうち、Ｐ偏光の赤色光は、第２光学作用面５０ｂを透過して反射型液晶表示パネル３１Ｒに至り、この反射型液晶表示パネル３１Ｒによって偏光方向が９０°回転されてＳ偏光の変調光となって反射されてくる。このＳ偏光の赤色変調光は、第２光学作用面５０ｂによって反射され、前記光出射面から出射されることになる。また、Ｓ偏光の緑色光は、第２光学作用面５０ｂによって反射されて反射型液晶表示パネル３１Ｇに至り、この反射型液晶表示パネル３１Ｇによって偏光方向が９０°回転されてＰ偏光の変調光となって反射されてくる。このＰ偏光の緑色変調光は、第２光学作用面５０ｂを透過することになり、前記光出射面から出射されることになる。

図３は上記色分離合成素子５０を備える液晶プロジェクタの光学系を示した説明図である。なお、この図において、色分離合成素子５０の背面側に緑色用の反射型液晶表示パネル３１Ｇが配置されており、色分離合成素子５０の表面側が光出射面となり、この光出射面上に図示しない投写レンズが配置される。

光源１の発光部２は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等から成り、その照射光はパラボラリフレクタ３によって平行光となって出射され、インテグレータレンズ４へと導かれる。

インテグレータレンズ４は一対のレンズ群（フライアイレンズ）にて構成されており、個々のレンズ対が光源１から出射された光を反射型液晶表示パネル３１の全面へ導くようになっている。インテグレータレンズ４を経た光は、偏光変換装置５を経てダイクロイックミラー６へと導かれる。

偏光変換装置５は、偏光ビームスプリッタアレイ（以下、ＰＢＳアレイと称する）によって構成されている。ＰＢＳアレイは、偏光分離膜と位相差板（１／２λ板）とを備える。ＰＢＳアレイの各偏光分離膜は、インテグレータレンズ４からの光のうち例えば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偏光は隣接の偏光分離膜にて反射される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光は光出射側に設けてある前記位相差板によってＳ偏光に変換されて出射される。すなわち、この場合は、ほぼ全ての光はＳ偏光に変換されるようになっている。

ダイクロイックミラー６は、イエロー光（赤色光及び緑色光）を透過し、青色光を反射する。ダイクロイックミラー６にて反射された青色光は、全反射ミラー７にて反射されて光路を変更される。全反射ミラー７にて反射されたＳ偏光の青色光は色分離合成素子５０の立方体第１面に入射する。

一方、ダイクロイックミラー６を透過したイエロー光は、全反射ミラー８にて反射されて狭帯域位相差板９に導かれる。狭帯域位相差板９は、緑色光のみ、その偏光方向を９０°回転させてＰ偏光に変換する。なお、狭帯域位相差板９に代えて、ダイクロイックミラー及び位相差板を組み合わせて用いることもできる。ここで、図３中のＳ（Ｓ偏光）は偏光変換装置５を基準としたＳ偏光である。一方、図１中のＰ偏光及びＳ偏光は色分離合成素子５０における第１光学作用面５０ａ及び第２光学作用面５０ｂを基準としたＰ偏光及びＳ偏光である。すなわち、図３中の偏光変換装置５、ダイクロイックミラー６、及び全反射ミラー７，８に対して、図１中の第１光学作用面５０ａと第２光学作用面５０ｂは、９０°捩じれた方向を向いているため、図３中のＳ偏光は色分離合成素子５０にとってＰ偏光である。

図４は色分離合成素子５０を備える反射型液晶プロジェクタの他の光学系を示した説明図である。なお、この図において、色分離合成素子５０の背面側に緑色用の反射型液晶表示パネル３１Ｇが配置されており、色分離合成素子５０の表面側が光出射面となり、この光出射面上に図示しない投写レンズが配置される。

この液晶プロジェクタは３つの照明装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを備える（以下、個々の照明装置を特定しないで示すときには、符号”１１”を用いる）。照明装置１１Ｒは赤色光を出射し、照明装置１１Ｇは緑色光を出射し、照明装置１１Ｂは青色光を出射する。照明装置１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは出射光色が異なるが構成はほぼ同じであるので、図において照明装置１１Ｇにのみ符号を付記し、他の照明装置１１Ｒ，１１Ｂについては、符号を省略している。

照明装置１１は、ＬＥＤチップ１２…がアレイ状に配置され且つ各ＬＥＤチップ１２の光出射側にレンズセル１３…を配置して成る光源と、各ＬＥＤチップ１２から出射されて前記レンズセル１３にて平行化された光を反射型液晶表示パネル３１へインテグレートして導くインテグレータレンズ１４とから成る。インテグレータレンズ１４は、一対のレンズ群（フライアイレンズ）にて構成されており、個々のレンズ対が各ＬＥＤチップ１２から出射された光を反射型液晶表示パネル３１の全面へ導くようになっている。このように、ＬＥＤチップ１２から出射された光は反射型液晶表示パネル３１へインテグレートされて導かれることになるため、反射型液晶表示パネル３１上（スクリーンの映像上）に導かれる光の強度分布が不均一になるのを防止することができる。

インテグレータレンズ１４と集光レンズ１６との間に偏光変換装置１５を設けている。この偏光変換装置１５は、前述した偏光変換装置５と同様の構成を有するものであるが、緑色用の照明装置１１Ｇにおいては、出射光をＰ偏光に揃えるようになっている。

照明装置１１Ｒと照明装置１１Ｇとは、その出射光の光軸が９０°で交差するように配置されている。そして、上記交差位置には偏光ビームスプリッタ１７が設けられている。偏光ビームスプリッタ１７の光出射面は、色分離合成素子５０におけるイエロー光入射面（立方体第２面）に対面している。照明装置１１Ｒから出射されたＳ偏光の赤色光と照明装置１１Ｇから出射されたＰ偏光の緑色光とが偏光ビームスプリッタ１７によって合成されてイエロー光となり、色分離合成素子５０におけるイエロー光入射面に入射する。

照明装置１１Ｂは色分離合成素子５０における青色光入射面（立方体第１面）に対面しており、照明装置１１Ｂから出射されたＳ偏光の青色光は、色分離合成素子５０における青色光入射面に入射する。

なお、偏光ビームスプリッタ１７に代えて、対象色光の波長程度若しくは波長より短い幅の線状体を前記波長程度若しくは波長より短い間隔で配置して成る構造を有するワイヤグリッドを用いることもできる。また、赤色光と緑色光を合成するダイクロイックプリズムを用いてもよいものである。また、照明装置１１Ｒ及び照明装置１１Ｇに代えて、Ｐ偏光のイエロー光を出射する照明装置を設け、更に、このイエロー光の光路上に赤色光のみＳ偏光に変化する狭帯域位相差板を設ける構成としてもよい。ここで、図４中のＰ（Ｐ偏光）及びＳ（Ｓ偏光）は偏光ビームスプリッタ１７（或いは、偏光変換装置１５）を基準としたＰ偏光及びＳ偏光である。一方、図１中のＰ偏光及びＳ偏光は色分離合成素子５０における第１光学作用面５０ａ及び第２光学作用面５０ｂを基準としたＰ偏光及びＳ偏光である。すなわち、図４中の偏光変換装置１５に対して、図１中の第１光学作用面５０ａと第２光学作用面５０ｂは、９０°捩じれた方向を向いているため、図４中のＰ偏光は色分離合成素子５０にとってＳ偏光であり、図４中のＳ偏光は色分離合成素子５０にとってＰ偏光である。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）はインテグレータレンズ４を用いた照明系と色分離合成素子５０との関係を示した説明図であり、かかる関係は、青色光と第２光学作用面５０ｂとの間、及びイエロー光と第１光学作用面５０ａとの間で生じることになる。図５（ｂ）では、光源１と色分離合成素子５０と反射型液晶表示パネル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、図５（ａ）には、反射型液晶表示パネル３１Ｂによる反射光（変調光）と色分離合成素子５０の光学作用面５０ｂとの関係を示している。

インテグレータレンズ４における入射側レンズアレイの一つの凸レンズに入射した光は、出射側レンズアレイ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２１，２２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５０に入射することになる。

しかしながら、色分離合成素子５０における光学作用面５０ｂは、青色用の液晶表示パネル３１Ｂの光入出射方向に平行に配置されており、青色用の反射型液晶表示パネル３１Ｂ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てしまう。図５（ｃ）に示すように、反射型液晶表示パネル３１Ｂの反射後に光学作用面５０ｂ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５（ａ）に示すように、反射型液晶表示パネル３１Ｂによる反射後に光学面５０ｂ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。

次に、かかる二重像の欠点を解消できる照明光学系を図６乃至図８に基づいて説明していく。図６は、色分離合成素子５０における第２光学作用面５０ｂと青色用の反射型液晶表示パネル３１Ｂとの関係を示した斜視図であり、イエロー光の色分離光学系及びその導光系については、図示を省略している。なお、イエロー光の色分離光学系及びその導光系については、図９に示している。

ここで、この実施形態では、各液晶表示パネル３１はその中心ラインが光学作用面５０ａ，５０ｂと平行になるように斜め配置されている。反射型液晶表示パネル３１の中央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。反射型液晶表示パネル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１からの第１光束が導かれ、第２照射領域には光源１から第２光束が導かれることになる。

図６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る。同図（ｂ）では、光源１と色分離合成素子５０と反射型の反射型液晶表示パネル３１Ｂ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）には反射型液晶表示パネル３１Ｂによる反射光（変調光）と色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂとの関係を示している。

光源１の光出射側には、光に存在する部分的な輝度ムラを平均化する第１インテグレータレンズ４１及び第２インテグレータレンズ４２が配置される。第１インテグレータレンズ４１により第１光束が生成され、第２インテグレータレンズ４２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４１は、一対のレンズアレイ４１ａ，４１ｂ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）が反射型液晶パネル３１Ｂ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４１において、入射側レンズアレイ４１ａの一つの凸レンズに入射した光は、出射側レンズアレイ４１ｂ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２１によって屈折し、色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂに交わるようにして反射型液晶表示パネル３１Ｂに導かれる。

第２インテグレータレンズ４２は、一対のレンズアレイ４２ａ，４２ｂ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）が反射型液晶パネル３１Ｂ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４２において、入射側レンズアレイ４２ａの一つの凸レンズに入射した光は、出射側レンズアレイ４２ｂ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２１によって屈折し、色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂに交わるようにして反射型液晶表示パネル３１Ｂに導かれる。

このように、第１インテグレータレンズ４１と第２インテグレータレンズ４２とにより、光源１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素子５０の第２光学作用面５０ｂで互いに交差して反射型液晶表示パネル３１Ｂ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。なお、各インテグレータレンズにおける凸レンズ部の形状は、第１，第２照射領域の形状に対応したものとされる。

かかる構成により、反射型液晶表示パネル３１Ｂにて変調された反射光は色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂから離れていく方向に反射し、色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂを横切ることがなくなるので、色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂ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、二光束が第２光学作用面５０ｂ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。

ところで、二光束を反射型液晶表示パネル３１Ｂの第１照射領域と第２照射領域とに導くこととすると、第１照射領域と第２照射領域との境界に十分に光が導かれずにパネルセンターに暗線ができてしまう場合がある。

図７の斜視図には、上記暗線を解消する機構を備えた投写型映像表示装置を示している。この図７に示す構成では、第１，第２インテグレータレンズ４１，４２の各出射側レンズアレイ４１ｂ，４２ｂの出射側にそれぞれコンデンサレンズ２１Ａ，２１Ｂを備え、各コンデンサレンズ２１Ａ，２１Ｂを光軸に直交する方向に個別に移動調節可能に設けている。ここで、光軸に直交する方向は、光学作用面に直交する方向となっている。各コンデンサレンズ２１Ａ，２１Ｂを移動させる機構としては、レンズ支持枠、このレンズ支持枠を案内するガイド、レンズ支持枠をガイドに沿って押し引きする螺子部材といった構成要素により実現できるが、このような機構に限定されるものではない。また、コンデンサレンズ２１Ａ，２１Ｂ間は遮光されるように構成している。

更に、第１インテグレータレンズ４１とコンデンサレンズ２１Ａとが一体化されて組を成し、第２インテグレータレンズ４２とコンデンサレンズ２１Ｂとが一体化されて組を成し、各組は個別に位置シフトできるようになっている。各組を位置シフトさせる機構としては、各組支持枠、この各組支持枠を案内するガイド、レンズ支持枠をガイドに沿って押し引きする螺子部材といった構成要素により実現できるが、このような機構に限定されるものではない。

ここで、各組による液晶表示パネル上での照射範囲は、それぞれ第１照射領域及び第２照射領域よりも幾分大きめとされている。幾分大きめとしていることにより、各組を位置シフトさせても、それぞれ第１照射領域及び第２照射領域の照射を維持でき、これに加えてその境目に非照射範囲ができてしまうのを防止できることになる。この様子を、図８に基づいて説明すると、照射範囲のシフト（位置シフト）により、図８の1)の照射状態から2)に示すごとく、パネル上での照射範囲が拡大されたことになり、パネル中心への照射光量が増大して中心部の暗線が除去されることになる。

照射範囲のシフト（位置シフト）させただけでは、図８の2)に示しているごとく、光学作用面５０ｂに光束が触れてしまうことになる。このとき、各コンデンサレンズ２１Ａ，２１Ｂを図７に示したごとく移動させることにより、光束の入射角を大きくさせることができ（レンズ周辺側ほど屈性作用が大きい）、図８の3)に示すように、光束が光学作用面に触れるのを回避できることになる。

ところで、図６に示した構成（インテグレータレンズを二組用いる構成）では、図６中点線で示しているように、例えば、レンズアレイ４２ａ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４２ｂの凸レンズ以外の凸レンズに導かれた光（２次光）は、色分離合成素子５０の第２光学作用面５０ｂで交差できずに反射型液晶表示パネル３１Ｂ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。

次に、図６等に示した構成で生じる欠点を解消することができる構成を図９乃至図１１に基づいて説明していく。

図９は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。この図では、青色光だけでなく、イエロー光の色分離光学系及びその導光系についても示している。

光源１の光出射側には、第１光束を生成する第１光束生成部６２及び第２光束を生成する第２光束生成部６３が配置されている。第１光束生成部６２は、集光レンズ６２ａ、ロッドインテグレータ６２ｂ、レンズ対６２ｃ・６２ｄを備えて成る。また、第２光束生成部６３は、集光レンズ６３ａ、ロッドインテグレータ６３ｂ、レンズ対６３ｃ・６３ｄを備えて成る。第１光束生成部６２及び第２光束生成部６３は同じ構成を有するので、以下、主に第１光束生成部６２について説明していく。

集光レンズ６２ａは、光源１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６２ａの光軸中心は、光源１の光軸中心と光源１の縁との中間に位置する。集光レンズ６２ａによって集光された光はロッドインテグレータ６２ｂの光入射端面に入射される。ロッドインテグレータ６２ｂに入射した光はロッドインテグレータ６２ｂ内で反射を繰り返し、ロッドインテグレータ６２ｂ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６２ｂ，６３ｂ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６２ｃ・６２ｄ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６２ｃを通った光は出射側レンズ６２ｄ付近で焦点を結び、この出射側レンズ６２ｄから出射した光は、コンデンサレンズ６５Ａとコンデンサレンズ６６Ａ・６６Ｂとによって屈折し、色分離合成素子５０の光学作用面に交わるようにして各反射型液晶表示パネル３１の第１領域に導かれる。同様に、レンズ対６３ｃ・６３ｄ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６３ｃを通った光は出射側レンズ６３ｄ付近で焦点を結び、この出射側レンズ６３ｄから出射した光は、コンデンサレンズ６５Ｂとコンデンサレンズ６６Ａ・６６Ｂとによって屈折し、色分離合成素子５０の光学作用面に交わるようにして反射型液晶表示パネル３１の第２領域に導かれる。コンデンサレンズ６６Ａ・６６Ｂは色分離合成素子５０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６２ｃ・６２ｄにおける出射側レンズ６２ｄ及びレンズ対６３ｃ・６３ｄにおける出射側レンズ６３ｄは、遮光板６４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反射型液晶表示パネル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６２と第２光束生成部６３とにより、ランプ１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素子５０の光学作用面で互いに交差して反射型液晶表示パネル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、反射型液晶表示パネル３１にて変調された反射光は色分離合成素子５０の光学作用面から離れていく方向に反射し、色分離合成素子５０の光学作用面を横切ることがなくなるので、色分離合成素子５０の光学作用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。更に、図６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ことになる。

図１０（ａ）に示す投写型映像表示装置においては、光源１′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。この光源１′の光出射側開口形状は略方形状（液晶表示パネル３１のアスペクト比に対応）とされ、その半分（液晶表示パネル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６７Ａ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６７Ｂ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６７Ａ，６７Ｂの光出射端面の大きさや位置関係は、図９に示したロッドインテグレータ６２ｂ，６３ｂ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６７Ａ，６７Ｂの光出射端面以降の光学系については、図９に示したのと同様の構成を適用できる。

この図１０（ａ）に示す構成であれば、図９に示した集光レンズ６２ａ，６３ａ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１０（ｂ）に示す投写型映像表示装置においては、光源１″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６８Ａ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６８Ｂ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６８Ａ，６８Ｂの配置関係は、図９に示したロッドインテグレータ６２ｂ，６３ｂ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６８Ａ，６８Ｂの光出射端面以降の光学系については、図９に示したのと同様の構成を適用できる。

この図１０（ｂ）に示す構成であれば、図９に示した集光レンズ６２ａ，６３ａ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１０（ａ）に示した構成では、ロッドインテグレータ６７Ａ・６７Ｂ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１０（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、光源１″における二集光点位置以外の領域に反射体を設け、不要光を光源１″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５０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１０（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の光路上に配置してもよいが、ダイクロイックミラー６の光入射手前位置とするのが望ましい。図１０（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。

図１１（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６７Ａ，６７Ｂ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９に示した交差屈折用の集光レンズ６５を不要にすることができる。各ロッドインテグレータ６７Ａ，６７Ｂ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６９Ａ・６９Ｂが設けられている。かかる光源６９Ａ・６９Ｂ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６７Ａ，６７Ｂを通ることで重畳され、ロッドインテグレータ６７Ａ，６７Ｂ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１１（ｂ）に示す投写型映像表示装置においては、光源１″の第１の集光点には第１ロッドインテグレータ６８Ａ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６８Ｂ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６８Ａ，６８Ｂ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９に示した交差屈折用の集光レンズ６５を不要にすることができる。

なお、図１１（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。

この発明の実施形態の色分離合成素子及び反射型光変調素子の配置関係等を示した説明図である。 同図（ａ）（ｂ）はそれぞれ図１の色分離合成素子の光学作用面を説明する説明図である。 図１の色分離合成素子を用いた投写型映像表示装置の光学系を示した説明図である。 図１の色分離合成素子を用いた投写型映像表示装置の光学系を示した説明図である。 同図（ａ）（ｂ）（ｃ）は単一光束照明系を有する投写型映像表示装置の光学系を説明すると共に、その欠点を示した説明図である。 同図（ａ）（ｂ）はインテグレータレンズを二組有する二光束照明系を示した説明図である。 図６の二光束照明系の変形例を示した説明図である。 図７の作用説明図である。 同図は二本のロッドインテグレータを有する二光束照明系を示した説明図である。 同図（ａ）（ｂ）はこの発明の反射型液晶プロジェクタの他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）はこの発明の反射型液晶プロジェクタの他の光学系の概要を示した平面図である。 従来の色分離合成素子を有した反射型液晶プロジェクタの光学系の概要を示した斜視図である。 従来の色分離合成素子を示した説明図である。 従来の色分離合成素子を示した説明図である。 従来の色分離合成素子を示した説明図である。

符号の説明

１ 光源
４ インテグレータレンズ
６ ダイクロイックミラー
９ 狭帯域位相差板
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ 照明装置
３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ 反射型液晶表示パネル
５０ 色分離合成素子
５０ａ 第１光学作用面
５０ｂ 第２光学作用面
６２ 第１光束生成部
６２ａ 集光レンズ
６２ｂ ロッドインテグレータ
６３ 第２光束生成部
６３ａ 集光レンズ
６３ｂ ロッドインテグレータ
６７Ａ，６７Ｂ ロッドインテグレータ
６８Ａ，６８Ｂ ロッドインテグレータ

Claims (9)

1. 透明立方体内に、当該立方体を三角柱状に二分する二分割面上に形成された第１光学作用面、及び他の二分割面上に形成された第２光学作用面を備えて成り、前記第１光学作用面は三原色光のうちの二原色光に対して第１偏光及び当該第１偏光に対して偏光方向が９０°異なる第２偏光ともに透過で他の一原色光に対して第１偏光透過で第２偏光反射の作用を有し、前記第２光学作用面は前記他の一原色光に対して第１偏光及び第２偏光ともに透過で前記二原色光に対して第１偏光透過で第２偏光反射の作用を有することを特徴とする色分離合成素子と、
   前記色分離合成素子の立方体第３面と立方体第４面と立方体第５面に各々設けられた３つの反射型光変調素子と、
   白色光を出射する光源と、
   前記光源から出射された白色光を一原色成分光と所定偏光の二原色成分とに分離する分離手段と、
   前記二原色成分光のうち一原色成分光の偏光方向を９０°回転させる狭帯域位相差発生手段と、を備えており、
   光源からの光を二光束化し、当該二光束が前記光学作用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映像光生成装置。
2. 請求項１に記載の映像光生成装置において、
   個々の凸レンズが前記光源からの光を前記反射型光変調素子の第１照射領域に導くように入射側レンズアレイと出射側レンズアレイとを有して構成された第１インテグレータレンズと、
   個々の凸レンズが前記光源からの光を前記反射型光変調素子の第２照射領域に導くように入射側レンズアレイと出射側レンズアレイとを有して構成された第２インテグレータレンズと、
   を備えて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、
   二光束の照射角度の調節機構を備えた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、
   二光束の照射開始位置をシフトさせる機構を備えたことを特徴とする映像光生成装置。
5. 請求項２に記載の映像光生成装置において、
   各出射側レンズアレイの出射側にそれぞれ集光レンズを備え、
   各集光レンズを光軸に直交する方向に移動調節可能に設け、
   二光束の照射角度の調節が行えるように構成したことを特徴とする映像光生成装置。
6. 請求項１に記載の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するように構成されたことを特徴とする映像光生成装置。
7. 請求項６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、
   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たことを特徴とする映像光生成装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の映像光生成装置において、
   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ことを特徴とする映像光生成装置。
9. 請求項１乃至請求項８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。

Images