JP4609028B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、複数の光変調装置を有し、それぞれの光変調装置からの変調光を合成して投射するプロジェクタに関する。

液晶パネルを用いたプロジェクタにおいて、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等を光源とした場合、光源が発生する光の波長分布特性により、波長帯域によって光量に差が生じる。例えば、高圧水銀ランプからの光を、赤、緑、青の３色に分離した場合、緑色光に比べ、赤色光、青色光の光量が少ない。これを補うための技術として、例えば、３つの色光の光路上にある液晶パネルのうち、少なくとも１つがマイクロレンズアレイを備えており、緑色光の利用効率を高めているものが知られている（特許文献１）。また、同様の効果を得るための別の技術として、開口率の違うパネルを用いるものも知られている（特許文献２）。

他方、これらとは異なる技術として、プロジェクタには平行配向型であるＴＮ型の液晶パネルを用いるのが一般的であるが、プロジェクタの液晶パネルに垂直配向液晶を用いることにより、コントラストを良くするものが知られている（例えば、特許文献３）。
特開２００３−２４１３０４号公報 特開２００３−５１６７号公報 特開平６−２７３７７２号公報

しかしながら、マイクロレンズを用いた場合、液晶パネルからの射出光が広がることになり、それに合わせた口径の大きな投射レンズを使う必要があり、装置が大型化し、コストもかかってしまう可能性がある。また、開口率の違う液晶パネルを用いた場合、開口部のサイズや形状の違いにより、色ずれや色にじみが生じ、画像が合わせづらいという問題が生じる。また、垂直配向液晶を用いた場合、画像のコントラストは良くなるが、明るさが不十分となる傾向がある。

そこで、本発明は、特殊な投射レンズを用いることも色ずれ等を生じさせることもなく、光源の特性による波長帯域ごとの光量差を調整することができ、より良好なホワイトバランスを可能にする高輝度のプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るプロジェクタは、複数の色光をそれぞれ変調する複数の液晶パネルと、複数の液晶パネルによって変調された光を合成する色合成光学系と、色合成光学系によって合成された光を投射する投射光学系とを備え、複数の色光のうち、少なくとも１つの色光を変調する液晶パネルが、一対の基板と、基板間に垂直配向された液晶とを有する垂直型液晶パネルであり、複数の色光のうち、残りの色光を変調する前記液晶パネルが、一対の基板と、前記基板間に平行配向された液晶とを有する平行型液晶パネルである。尚、ここで、垂直配向とは、液晶に電圧がかかっていない場合に液晶の配向ベクトルが基板面に垂直に、もしくは、基板法線方向からわずかに傾いて（プレチルトをもって）配向している状態を意味する。また、平行配向とは、液晶に電圧がかかっていない場合に液晶の配向ベクトルが基板面に平行に、もしくは、基板面からわずかに傾いて（プレチルトをもって）配向している状態を意味する。

一般に、垂直型液晶パネルは、光の透過特性はやや劣るものの、コントラスト性に優れている。一方、平行型液晶パネルは、コントラスト性はやや劣るものの、光の透過特性に優れているため、明るい。これら双方の性質を利用するために、各色光のうち、少なくとも１つの色光については、基板間に垂直配向される液晶を有する垂直型液晶パネルを用い、他の色光については、基板間に平行配向される液晶を有する平行型液晶パネルを用いてそれぞれ像光を形成させる。これにより、上記少なくとも１つの色光については垂直型液晶パネルの特性を生かした変調が可能であり、他の色光については平行型液晶パネルの特性を生かした変調が可能になる。形成されたそれぞれの像光を色合成光学系によって合成し、投射光学系によって投射することにより画像形成が行われる。

例えば、プロジェクタ内で照明光として利用されるそれぞれの色光には、その光源の特性等により、通常、光量に偏りがあることは避けられない。また、プロジェクタの用途によっては、特定の色光による表現を強調したり抑えたりしたい場合がある。色光による表現の強調は、例えば、その色の明るさやコントラストを高めることによって達成される。本発明のプロジェクタでは、上述のように、色光によって平行配向と垂直配向とを使い分けているので、投射される画像を画像の投影用途に適合したものとすることが可能である。

また、本発明の具体的な態様として、垂直型液晶パネルが、上記複数の色光のうち、光量が比較的大きい色光に対して用いられる。この場合、複数の色光の合成後における各色光間での光量差が少なくなり、比較的ホワイトバランスが取れた画像形成のための合成光を得ることができる。

また、本発明の具体的な態様として、垂直型液晶パネルが、上記複数の色光のうち、高コントラストを要する色光に対して用いられる。この場合、目的の色光に対してコントラストを高めることができ、全体としてもコントラスト比の高い画像形成が可能となる。

また、本発明の具体的な態様として、平行型液晶パネルが、ツイステッドネマティック（ＴＮ）型の液晶パネルである。この場合、安価な装置によって当該色光から明るい変調光を得ることができる。

また、本発明の具体的な態様として、プロジェクタは、光源と、光源から射出された光を前記複数の色光に分離する色分離光学系とをさらに備える。この場合、所定分光分布を有するランプ等の単一光源から特定波長帯域ごとに分離された分離光を各色の色光として得ることができる。

また、本発明の具体的な態様として、光源が高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかであり、複数の色光が赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、緑色光が垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、青色光及び赤色光が平行型液晶パネルを用いて変調される。この場合、垂直型液晶パネルにより比較的光量が多い緑色光のコントラスト比が高められるとともに、平行型液晶パネルにより青色光及び赤色光の光量が十分に確保され、用途に応じた無駄のないホワイトバランスの設定が可能となる。

また、本発明の具体的な態様として、光源が高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかであり、複数の色光が赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、緑色光及び青色光が垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、赤色光が前記平行型液晶パネルを用いて変調される。この場合、垂直型液晶パネルにより比較的光量が多い緑色光のほか青色光のコントラスト比が高められるとともに、平行型液晶パネルにより赤色光の光量が十分に確保され、用途に応じた無駄のないホワイトバランスの設定が可能となる。

また、本発明の具体的な態様として、光源がハロゲンランプであり、複数の色光が赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、比較的光量が多い赤色光が垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、緑色光及び前記青色光が平行型液晶パネルを用いて変調される。この場合、垂直型液晶パネルにより赤色光のコントラスト比が高められるとともに、平行型液晶パネルにより緑色光及び青色光の光量が十分に確保され、用途に応じた無駄のないホワイトバランスの設定が可能となる。

また、本発明の具体的な態様として、光源がハロゲンランプであり、複数の色光が赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、比較的光量が多い赤色光及び緑色光が垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、青色光が平行型液晶パネルを用いて変調される。この場合、垂直型液晶パネルにより赤色光のほか緑色光のコントラスト比が高められるとともに、平行型液晶パネルにより青色光の光量が十分に確保され、用途に応じた無駄のないホワイトバランスの設定が可能となる。

また、本発明の具体的な態様として、複数の色光が４つの色光である。この場合、４つの色光を用いることで、より表現力のあるカラー画像が形成される。

また、本発明の具体的な態様として、４つの色光が、赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光にさらに１つの色光を加えたものである。この場合、３つの色光について光量やコントラストの相対的比重を調整するとともにさらに１つの色光についても光量やコントラストの相対的比重を調整することで、用途に応じたホワイトバランス等の設定が可能となるとともに、４つの色光を用いることで、より表現力のあるカラー画像が形成される。

また、本発明のより具体的な態様として、４つの色光が、上記３つの色光に黄色光を加えたものである。この場合、黄色光について光量やコントラストを調整することで用途に応じたホワイトバランス等の設定が可能となる。

また、本発明の具体的な態様として、複数の色光が２つの色光である。この場合、カラー画像を形成することが可能である。

また、本発明のより具体的な態様として、２つの色光が無彩色光と有彩色光とであり、上記高コントラストを要する色光が無彩色光である。この場合、特に、コントラストの良好なカラー画像を形成することが可能である。

また、本発明のより具体的な態様として、光源が、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかであり、２つの色光は、一方が緑色光であり、緑色光は、光量が比較的大きい色光である。この場合、ホワイトバランスが取れた画像形成のための合成光を得ることができる。

また、本発明の具体的な態様として、垂直型液晶パネルがノーマリーブラックモードで動作し、平行型液晶パネルがノーマリーホワイトモードで動作する。ここで、ノーマリーブラックモードとは、液晶に電圧がかかっていない場合に光遮断状態とすることにより黒表示となる表示モードを意味し、ノーマリーホワイトモードとは、液晶に電圧がかかっていない場合に光透過状態とすることにより、白色光を入射させた場合に白表示となる表示モードを意味する。この場合、垂直型液晶パネルをノーマリーブラックモードで動作させることによりコントラスト比を効果的に高めることが可能となり、平行型液晶パネルをノーマリーホワイトモードで動作させることにより透過率、即ち画像の明るさを効果的に高めることが可能となる。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。本実施形態におけるプロジェクタ１００は、照明装置１０と、光分離光学系３０と、光変調装置５０と、光合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム７０と、投射光学系である投射レンズ９０とを備える。

照明装置１０は、光源光ＷＬの発生源である光源１と、光源光ＷＬから照明光ＳＬを形成するインテグレータ光学系２０とを備え、さらに、インテグレータ光学系２０は、フライレンズアレイ２、３と、偏光変換素子アレイ４と、重畳レンズ５と、ミラー６とを備える。本実施形態において、特に、光源１は、高圧水銀ランプとする。これにより、像光形成の必要に足る光量を有する光源光ＷＬを得ることができる。また、この光源光ＷＬは、高圧水銀ランプ固有の波長分布を有する。フライレンズアレイ２、３と重畳レンズ５とは、光源光ＷＬを光束断面内で均一化する。偏光変換素子アレイ４は、光源光ＷＬを所定の偏光光に偏光変換して射出する。また、ミラー６は、反射により光源光ＷＬの光路を折り曲げる。これらインテグレータ光学系２０により、光源光ＷＬから均一な偏光光である照明光ＳＬが形成される。

光分離光学系３０は、色分離光学系として、ダイクロイックミラー３１、３２と、ミラー３３、３４、３５と、リレーレンズ３６、３７と、フィールドレンズ３８、３９、４０とを備える。ここで、ダイクロイックミラー３１、３２は、照明装置１０によって形成された照明光ＳＬを選択的に透過又は反射することによって所定波長帯域ごとに色分離し、各色の色光を形成する。特に、ダイクロイックミラー３１は、赤色光ＲＬを含む波長領域の成分を透過させる一方、その他の領域を反射する特性を有する。これにより、照明光ＳＬから赤色光ＲＬが分離される。また、ダイクロイックミラー３２は、青色光ＢＬを含む波長領域の成分を反射する一方、その他の領域を透過させる特性を有する。これにより、照明光ＳＬの残りの成分から青色光ＢＬが分離され、残りが緑色光ＧＬとなる。ミラー３３、３４、３５は、反射により各色光の光路を所定方向に変更する。リレーレンズ３６、３７は、各色光間の光路差、即ち照明装置１０から各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇまでの光路の長さの相違のために必要となるビーム形状の補正を行う。フィールドレンズ３８、３９、４０は、照明光の色分離によって得られる各色光の、後述する偏光子への入射角度を調整する。

光変調装置５０は、液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇを備え、さらに、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇは、それぞれ偏光子５２ｒ、５２ｂ、５２ｇと、垂直配向液晶パネル５３ｇと、ＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂと、検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇとを備える。偏光子５２ｒ、５２ｂ、５２ｇは、それぞれ光路上液晶パネルの入射側に位置し、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇへの入射光の偏光方向をより狭い範囲に限定して偏光度を高めるための偏光板である。いずれの液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇも、入射した各色光を、電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて画素単位でそれぞれ偏光状態に調整することにより、変調光を形成する。検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇは、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇから射出された変調光から特定方向の偏光成分を選択するための偏光板である。

ここで、垂直配向液晶パネル５３ｇは、一対の基板とその基板間に電圧非印加時に垂直配向される液晶とを備えた垂直型液晶パネルであり、電圧非印加時に入射光の偏光方向を変化させることなくそのまま通過させ、電圧印加時に入射光の偏光方向を９０°回転させる。垂直配向液晶パネル５３ｇは、透過特性はやや劣るものの、コントラスト性に優れている。一方、ＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂは、一対の基板とその基板間に電圧非印加時に平行配向される液晶とを備えた平行型液晶パネルであり、電圧印加時に入射光の偏光方向を９０°回転させ、電圧非印加時に入射光の偏光方向を変化させることなくそのまま通過させる。ＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂは、透過特性に優れている。より具体的な動作例で説明すると、まず、ノーマリーブラックタイプモードで垂直配向液晶パネル５３ｇを用いた場合、電圧非印加時に液晶が垂直に配向され偏光状態を維持させて光遮断する黒表示となるので、黒再現の安定性に優れる。また、垂直配向液晶パネル５３ｇは、波長分散性や角度依存性が小さく、色や角度の違いに影響されにくい。これらにより、コントラスト比を効果的に高めることが可能となる。一方、ノーマリーホワイトタイプモードでＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂを用いた場合、電圧非印加時に液晶がねじれた水平状態に配置され、偏光状態を９０°回転させて光透過する白表示となり、明るくなる。これにより、コントラストをある程度確保しつつ透過率を効果的に高めることが可能となる。

クロスダイクロイックプリズム７０は、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇから射出された変調光に応じて得られる像光を結合し、合成光を形成するための光合成光学系である。

投射レンズ９０は、形成された合成光を投射光として、不図示のスクリーン等へ投射するための投射光学系である。

以下、図１を用いて本画像形成部による画像形成の手順に従って、本画像形成部の機能を説明する。照明装置１０において、光源１から発生し、射出された光源光ＷＬは、まず、レンズアレイ２を透過する。その後、光源光ＷＬは、ミラー６で反射され、さらに、レンズアレイ３を透過する。レンズアレイ２、３により、光源光ＷＬの光量分布が光束断面内で均一化される。この際、光源光ＷＬに含まれている光は全てミラー６で反射されることによって方向転換される。光源光ＷＬは、レンズアレイ３を透過後、偏光変換素子アレイ４を透過することによって１種類の直線偏光光に偏光変換される。さらに、光源光ＷＬは、重畳レンズ５によって重ね合わされ、照明光ＳＬが形成される。

次に、光分離光学系３０において、照明装置１０で形成された照明光ＳＬのうち、まず、第１のダイクロイックミラー３１によって、赤色光ＲＬを主成分として含む波長帯域が色分離される。次に、照明光ＳＬの残りの成分については、第２のダイクロイックミラー３２によって、青色光ＢＬを主成分として含む波長帯域と緑色光ＧＬを主成分として含む波長帯域とに色分離される。以上の各ダイクロイックミラーの機能により、照明光ＳＬは、波長帯域ごとに赤色光ＲＬ、緑色光ＧＬ、青色光ＢＬに分離される。赤色光ＲＬは、ミラー３３で反射され、さらに、フィールドレンズ３８によって入射角度が調整され、光変調装置５０の液晶ライトバルブ５１ｒに導かれ、液晶ライトバルブ５１ｒを照射する。青色光ＢＬも同様に、ダイクロイックミラー３２での反射により抽出された後、フィールドレンズ３９によって入射角度が調整され、光変調装置５０の液晶ライトバルブ５１ｂに導かれ、液晶ライトバルブ５１ｂを照射する。緑色光ＧＬは、ダイクロイックミラー１５での透過により抽出された後、ミラー３４及び３５で反射され、さらに、フィールドレンズ４０によって入射角度が調整され、光変調装置５０の液晶ライトバルブ５１ｒに導かれ、液晶ライトバルブ５１ｒを照射する。尚、光分離光学系３０内において、緑色光ＧＬの光路が、物理的に他の光の光路より長くなっている。よってビーム形状の補正が必要となり、かかる補正のためにリレーレンズ３６、３７等が緑色光ＧＬの光路中に設けられている。

次に、光変調装置５０において、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇをそれぞれ照射した各色の色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬは、まず、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇ内の偏光子５２ｒ、５２ｂ、５２ｇにより、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇへの入射光の偏光方向がより狭い範囲に限定され、偏光度が高められる。偏光度が高められた各色光のうち、緑色光ＧＬは、垂直配向液晶パネル５３ｇに入射し、赤色光ＲＬと青色光ＢＬとは、それぞれＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂに入射する。各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇによって変調された各色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬは、さらに検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇによって特定方向の偏光成分が選択される。以上により、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇによって各色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬの像光が形成される。この際、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇと、それぞれ対応する検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇとの関係によって偏光成分の選択が定まり、これにより、ノーマリーブラックタイプモード及びノーマリーホワイトタイプモードの設定が可能となる。

ここで、本実施形態においては、光源１として高圧水銀ランプを用いている。この場合、高圧水銀ランプの特性により、各色光のうち、特に緑色光ＧＬの波長帯域の光量が比較的大きくなる。従って、ホワイトバランスを良好にするためには、緑色光ＧＬを相対的に減光することが望ましい。そこで、透過性にはやや劣るもののコントラストを向上させるノーマリーブラックタイプモードで動作する垂直配向液晶パネル５３ｇを使用する。これにより、緑色光ＧＬは一定範囲で自動的に減光されるとともに、コントラストの高い変調光に変調される。一方、緑色光ＧＬに比して光量の少ない赤色光ＲＬ及び青色光ＢＬには、透過性の高いノーマリーホワイトモードタイプで動作するＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂを使用する。これにより、赤色光ＲＬ及び青色光ＢＬは、十分な光量が確保された変調光に変調される。

光変調装置５０で形成された像光は、クロスダイクロイックプリズム７０で互いに結合する。これにより形成された合成光は、投射レンズ９０から投射光としてスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。

以上をまとめると、本実施形態のプロジェクタ１００においては、光源１として用いる高圧水銀ランプの特性により、各色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬのうち、緑色光ＧＬの光量が大きくなる。しかし、光変調装置５０での変調において、緑色光ＧＬに関しては垂直配向液晶パネル５３ｇを用いることにより減光するとともにコントラストを上げる一方、赤色光ＲＬ及び青色光ＢＬに関してはＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂを用いることにより光量を確保する。これにより、特殊な投射レンズを用いることも色ずれ等を生じさせることもなく、光源１の特性による波長帯域ごとの光量差を補正し、より良好なホワイトバランスを得たプロジェクタを提供することが可能となる。

本実施形態において、光源１を高圧水銀ランプとしたが、光源１は高圧水銀ランプには限られない。例えば、メタルハライドランプであってもよい。この場合も、緑色光の光量が最も大きくなる。また、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプともに緑色光、青色光、赤色光の順で光量が大きいのが基本であるが、分光分布はそれぞれ使用する各ランプの特性によって若干異なる。また、プロジェクタの使用用途によっても設定する色温度が異なってくる。例えば、テレビ向けの画像では赤及び青が強いものが望ましいが、シアター向けの画像には赤が強いものが良い、等といった場合が考えられる。従って、これらの状況に応じて、例えば、緑色光だけでなく、青色光に対しても垂直型液晶パネルを用いても良い。つまり、液晶パネル５３ｂを、垂直型液晶パネルとしても良い。

尚、本実施形態では、色光を減光する側に垂直型液晶パネルとして垂直配向液晶パネル５３ｇを、色光の光量を確保する側に平行型液晶パネルとしてＴＮ配向液晶パネル５３ｒ、５３ｂを用いているが、色光を減光する側にノーマリーブラックタイプとし、逆に、色光の光量を確保する側にノーマリーホワイトタイプとすることにより、これに限らず様々なタイプの液晶を用いる際にホワイトバランスを得たプロジェクタを提供することが期待される。

〔第２実施形態〕
第２実施形態のプロジェクタは、図１に示す第１実施形態のプロジェクタを光源１について変形したものである。以下、第２実施形態のプロジェクタについて説明する。第１実施形態において、光源１として高圧水銀ランプを用い、また、メタルハライドランプを例示したが、これらとは異なる分光分布を呈するハロゲンランプを光源として用いることも可能である。以下では、光源１として、特にハロゲンランプを用いた場合について高圧水銀ランプの特性と比較して説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における光源の特徴を説明するための光源の分光分布図である。図２（ａ）は、一般的な高圧水銀ランプの分光分布特性を示すグラフである。図から分かるように、可視光領域であるおよそ４００ｎｍから７００ｎｍ波長帯域のうち、高圧水銀ランプは、特に、短波長側である緑色光波長帯域、青色光波長帯域の相対強度が比較的大きい。この場合、視認した際には、緑色光波長帯域の光を最も強く感じ取ることになる。一方、図２（ｂ）は、一般的なハロゲンランプの分光分布特性を示すグラフである。図から分かるように、ハロゲンランプは、長波長側である赤色光波長帯域の相対強度が比較的大きい。つまり、光量は、赤色光、緑色光、青色光の順で大きい。従って、この場合、赤色光ＲＬに対しては、液晶パネル５３ｒとして垂直型液晶パネルを用い、緑色光ＧＬ及び青色光ＢＬに対しては、液晶パネル５３ｇ、５３ｂとして平行型液晶パネルを用いればよい。尚、ここにおいても、上述同様、使用用途等に応じて、赤色光ＲＬ及び緑色光ＧＬに対しては垂直型液晶パネルを用い、青色光ＢＬに対しては平行型液晶パネルを用いるとしても良い。

〔第３実施形態〕
図３は、第３実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。本実施形態のプロジェクタ２００は、４つの色光合成による所謂４板式のプロジェクタであり、照明装置２１０と、光分離光学系２３０と、光変調装置２５０と、光合成光学系２７０と、投射光学系である投射レンズ２９０とを備える。

照明装置２１０は、光源光ＷＬの発生源である光源２０１と、光源光ＷＬから照明光ＳＬを形成するインテグレータ光学系２２０とを備える。本実施形態においても、図１の光源１と同様に、光源２０１は、高圧水銀ランプとする。尚、インテグレータ光学系２２０は、図１におけるインテグレータ光学系２０のうち、光の方向転換を行うミラー６を有しないことを除いて同じ機構を有するので、説明を割愛する。インテグレータ光学系２２０等を経て、光源光ＷＬから照明光ＳＬが形成される。

光分離光学系２３０は、十字に交差させた第１及び第２ダイクロイックミラー２３１、２３２を備えるクロスダイクロイックミラー２３３と、第３及び第４ダイクロイックミラー２３４、２３５と、ミラー２３６、２３７、２３８、２３９、２４０と、フィールドレンズ２４１、２４２、２４３、２４４とを備える。クロスダイクロイックミラー２３３及びダイクロイックミラー２３４、２３５は、照明装置２１０によって形成された照明光ＳＬを選択的に透過又は反射することによって所定波長帯域ごとに色分離し、各色の色光を形成する。より具体的には、クロスダイクロイックミラー２３３のうち、第１ダイクロイックミラー２３１は、青色光ＢＬと緑色光ＧＬとを含む波長領域の成分を反射する特性を有する。一方、第２ダイクロイックミラー２３２は、黄色光ＹＬと赤色光ＲＬとを含む波長領域の成分を反射する特性を有する。これにより、照明光ＳＬから２種類の色光が分離される。さらに、第３ダイクロイックミラー２３４は、黄色光ＹＬを含む波長領域の成分を反射する一方、赤色光ＲＬを含む波長領域の成分を透過させる特性を有する。第４ダイクロイックミラー２３５は、緑色光ＧＬを含む波長領域の成分を反射する一方、青色光ＢＬを含む波長領域の成分を透過させる特性を有する。以上の各ダイクロイックミラーの機能により、照明光ＳＬは、波長帯域ごとに赤色光ＲＬ、黄色光ＹＬ、緑色光ＧＬ、青色光ＢＬに分離される。ミラー２３６、２３７、２３８、２３９、２４０は、反射により各色光の光路を所定方向に変更する。フィールドレンズ２４１、２４２、２４３、２４４は、照明光の色分離によって得られる各色光の、後述する偏光子への入射角度を調整する。

光変調装置２５０は、液晶ライトバルブ２５１ｒ、２５１ｙ、２５１ｇ、２５１ｂを備え、さらに、液晶ライトバルブ２５１ｒ、２５１ｙ、２５１ｇ、２５１ｂは、それぞれ入射側に配置される偏光子と、垂直配向液晶パネル２５３ｇと、ＴＮ配向液晶パネル２５３ｒ、２５３ｙ、２５３ｂと、射出側に配置される検光子とを備える。尚、第１実施形態におけるものと同名のものは、設置される箇所や有する機能等が同じであるので説明を割愛する。

光合成光学系２７０は、ダイクロイックプリズム２７１、２７２と、反射プリズム２７３、２７４と、クロスダイクロイックプリズム２７５とを備える。ダイクロイックプリズム２７１、２７２は、底面が正方形の柱状プリズムであり、２つの同一形状の直角二等辺三角柱プリズムを互いの最大側面で貼り合わせることにより形成されている。この際、当該張り合わせ箇所にダイクロイック膜が施されることにより、ダイクロイックミラーとしての機能を果たす。反射プリズム２７３、２７４は、上述のものと同一形状の直角二等辺三角柱プリズムであり、最大側面にミラーが施されることにより、光の方向転換を行う。クロスダイクロイックプリズム２７５は、各ダイクロイックプリズムによって合成された色光どうしをさらに合成し、投射光となる合成光を形成する。尚、ダイクロイックプリズム２７１と反射プリズム２７３とが貼付され、ダイクロイックプリズム２７２と反射プリズム２７４とが貼付され、さらに反射プリズム２７３、２７４がクロスダイクロイックプリズム２７５に貼付されることにより、一体化した状態で光合成光学系２７０が形成されている。

投射レンズ２９０は、形成された合成光を投射光として、不図示のスクリーン等へ投射するための投射光学系である。

以下、図３を用いて本実施形態のプロジェクタ２００の動作を説明する。照明装置２１０において、光源２０１から発生し、射出された光源光ＷＬから、インテグレータ光学系２２０によって偏光光である照明光ＳＬが形成される。

次に、光分離光学系２３０において、照明装置２１０で形成された照明光ＳＬのうち、まず、クロスダイクロイックミラー２３３が備えるダイクロイックミラー２３１、２３２によって、波長帯域ごとに色分離される。各ダイクロイックミラーの機能により、照明光ＳＬは、波長帯域ごとに赤色光ＲＬ、黄色光ＹＬ、緑色光ＧＬ、青色光ＢＬに分離される。各色の色光は、それぞれフィールドレンズ２４１、２４２、２４３、２４４によって入射角度が調整され、光変調装置２５０の液晶ライトバルブ２５１ｒ、２５１ｙ、２５１ｇ、２５１ｂに導かれ、液晶ライトバルブ２５１ｒ、２５１ｙ、２５１ｇ、２５１ｂを照射する。

次に、光変調装置２５０において、各液晶ライトバルブ２５１ｒ、２５１ｙ、２５１ｇ、２５１ｂにそれぞれ入射した各色の色光ＲＬ、ＹＬ、ＧＬ、ＢＬは、まず、入射側の偏光子により、各液晶パネル２５３ｒ、２５３ｙ、２５３ｇ、２５３ｂへの入射光の偏光方向がより狭い範囲に限定され、偏光度が高められる。偏光度が高められた各色光のうち、緑色光ＧＬは、垂直配向液晶パネル２５３ｇに入射し、赤色光ＲＬと黄色光ＹＬと青色光ＢＬとは、それぞれＴＮ配向液晶パネル２５３ｒ、２５３ｙ、２５３ｂに入射する。各液晶パネル２５３ｒ、２５３ｙ、２５３ｇ、２５３ｂによって変調された各色光ＲＬ、ＹＬ、ＧＬ、ＢＬは、さらに射出側の検光子によって特定方向の偏光成分が選択される。以上により、各液晶ライトバルブ２５１ｒ、２５１ｙ、２５１ｇ、２５１ｂによって各色光ＲＬ、ＹＬ、ＧＬ、ＢＬの像光が形成される。

ここで、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、光源２０１として高圧水銀ランプを用いている。この場合、高圧水銀ランプの特性により、各色光のうち、特に緑色光ＧＬの波長帯域の光量が比較的大きくなるため、緑色光ＧＬに対しては垂直型液晶パネルである垂直配向液晶パネル２５３ｇが用いられている。つまり、緑色光ＧＬについてはコントラスト比が高められ、他の色光ＲＬ、ＹＬ、ＢＬについては、光量が確保される。

次に、合成光学系２７０において、形成された各色の像光が互いに結合する。まず、ダイクロイックプリズム２７１により赤色光ＲＬと黄色光ＹＬとが結合し、２色光ＲＹを形成する。一方、ダイクロイックプリズム２７２により緑色光ＧＬと青色光ＢＬとが結合すし、２色光ＧＢを形成する。２色光ＲＹ、ＧＢは、それぞれ反射プリズム２７３、２７４により方向転換され、クロスダイクロイックプリズム２７５に入射し、合成光が形成される。形成された合成光は、投射レンズ２９０から投射光としてスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、光源２０１として、高圧水銀ランプの代わりに、メタルハライドランプや第２実施形態のハロゲンランプを用いることも可能である。また、第１実施形態と同様に、状況に応じて各液晶パネル２５３ｒ、２５３ｙ、２５３ｇ、２５３ｂの種類を適宜定めて良い。

〔第４実施形態〕
図４（ａ）、（ｂ）は、ともに第４実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。図４（ａ）に見られる一方のプロジェクタ３００は、２つの色光合成による所謂２板式のプロジェクタであり、照明装置３１０と、光分離光学系３３０と、光変調装置３５０と、光合成光学系である合成プリズム３７０と、投射光学系である投射レンズ３９０とを備える。

照明装置３１０は、光源３０１と、インテグレータ光学系３２０とを備えるが、構造は図３におけるプロジェクタ２００の照明装置２１０と同一であるので説明を割愛する。

光分離光学系３３０は、ダイクロイックプリズム３３１と、ミラー３３２、３３３と、フィールドレンズ３３４、３３５とを備える。ダイクロイックプリズム３３１は、照明装置３１０によって形成された照明光ＳＬを半透過・半反射する。ミラー３３２、３３３は、反射により各色光の光路を所定方向に変更する。フィールドレンズ３３４、３３５は、照明光の色分離によって得られる各色光の、後述する偏光子への入射角度を調整する。

光変調装置３５０は、液晶ライトバルブ３５１ｗ、３５１ｃを備え、さらに、液晶ライトバルブ３５１ｗ、３５１ｃは、それぞれ入射側に配置される偏光子と、垂直配向液晶パネル３５３ｗと、ＴＮ配向液晶パネル３５３ｃと、射出側に配置される検光子とを備える。尚、第１及び第２実施形態におけるものと同名のものは、設置される箇所や有する機構等が同じであるので説明を割愛する。

合成プリズム３７０は、例えば、偏光ビームスプリッタからなり、各液晶パネル３５１ｗ、３５１ｃから射出された変調光に応じて得られる像光を結合し、合成光を形成するための光合成光学系である。

投射レンズ９０は、形成された合成光を投射光として、不図示のスクリーン等へ投射するための投射光学系である。

以下、図４（ａ）を用いてプロジェクタ３００の動作を説明する。照明装置３１０において、光源３０１から発生し、射出された光源光ＷＬから、インテグレータ光学系３２０によって照明光ＳＬが形成される。

次に、光分離光学系３３０において、照明装置３１０で形成された照明光ＳＬは、ダイクロイックプリズム３３１によって、半透過・半反射される。これによる反射光が無彩色光である白黒光ＷＢとなり、透過光が有彩色光であるカラー光ＴＣとなる。白黒光ＷＢは、ミラー３３２で反射されることにより方向転換され、フィールドレンズ３３４によって入射角度が調整される。さらに、白黒光ＷＢは、光変調装置３５０の液晶ライトバルブ３５１ｗに導かれ、液晶ライトバルブ３５１ｗを照射する。カラー光ＴＣも、同様に、ミラー３３３で反射されることにより方向転換される。この過程において、不図示の調整バルブによって、時系列に透過色が切換えられ、カラー光ＴＣに含まれる色光の調整が行われる。例えば、カラーフィルタを用いたカラーホィール等を制御することによって上記調整は可能である。色光の調整が行われたカラー光ＴＣは、フィールドレンズ３３５によって入射角度が調整され、光変調装置３５０の液晶ライトバルブ３５１ｗに導かれ、液晶ライトバルブ３５１ｗを照射する。

次に、光変調装置３５０において、各液晶ライトバルブ３５１ｗ、３５１ｃをそれぞれ照射した両色光ＷＢ、ＴＣは、まず、各液晶ライトバルブ３５１ｗ、３５１ｃ内の偏光子により、各液晶パネル３５３ｗ、３５３ｃへの入射光の偏光方向がより狭い範囲に限定され、偏光度が高められる。偏光度が高められた各色光のうち、白黒光ＷＢは、垂直配向液晶パネル３５３ｗに入射し、カラー光ＴＣは、ＴＮ配向液晶パネル３５３ｃに入射する。各液晶パネル３５３ｗ、３５３ｃによって変調された各色光ＷＢ、ＴＣは、さらに検光子によって特定方向の偏光成分が選択される。以上により、各液晶ライトバルブ３５１ｗ、３５１ｃによって各色光ＷＢ、ＴＣの像光が形成される。

形成された像光は、合成プリズム３７０で互いに結合する。これにより形成された合成光は、投射レンズ３９０から投射光としてスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。

ここで、白黒光ＷＢ側に、垂直型液晶パネルである垂直配向液晶パネル３５３ｗを用いることにより、コントラスト比が高く、また、カラー光ＴＣ側に、平行型液晶パネルであるＴＮ配向液晶パネル３５３ｗを用いることにより、明るいカラー画像を形成することが可能となる。

図４（ｂ）に見られる他方のプロジェクタ４００も、図４（ｂ）のプロジェクタ３００同様、２つの色光合成による所謂２板式のプロジェクタであり、照明装置４１０と、光分離光学系４３０と、光変調装置４５０と、光合成光学系であるダイクロイックプリズム４７０と、投射光学系である投射レンズ４９０とを備える。

照明装置４１０は、光源４０１と、インテグレータ光学系４２０とを備えるが、構造は図４（ａ）におけるプロジェクタ３００の照明装置３１０と同一であるので説明を割愛する。

光分離光学系４３０は、ダイクロイックミラー４３１と、ミラー４３２、４３３と、フィールドレンズ４３４、４３５とを備える。ダイクロイックミラー４３１は、照明装置４１０によって形成された照明光ＳＬのうち、緑色光ＧＬを主成分として含む波長帯域を色分離する。つまり、ダイクロイックミラー４３１は、緑色光ＧＬを含む波長領域の成分を反射する一方、その他の成分つまり、赤色光及び青色光の２色光ＲＢを含む波長領域の成分を透過させる特性を有する。これにより、照明光ＳＬが緑色光ＧＬと２色光ＲＢとに分離される。ミラー４３２、４３３は、反射により各色光の光路を所定方向に変更する。フィールドレンズ３３４、３３５は、色分離によって得られた各色光の、後述する偏光子への入射角度を調整する。

光変調装置４５０は、液晶ライトバルブ４５１ｇ、４５１ｒを備え、さらに、液晶ライトバルブ４５１ｇ、４５１ｒは、それぞれ入射側に配置される偏光子と、垂直配向液晶パネル４５３ｇと、ＴＮ配向液晶パネル４５３ｒと、射出側に配置される検光子とを備える。尚、第１及び第２実施形態におけるものと同名のものは、設置される箇所や有する機構等が同じであるので説明を割愛する。

ダイクロイックプリズム４７０は、各液晶パネル４５１ｇ、４５１ｒから射出された変調光に応じて得られる像光を結合し、合成光を形成するための光合成光学系である。

投射レンズ４９０は、形成された合成光を投射光として、不図示のスクリーン等へ投射するための投射光学系である。

以下、図４（ｂ）を用いてプロジェクタ４００の画像形成の手順に従って、本画像形成部の機能を説明する。照明装置４１０において、光源４０１から発生し、射出された光源光ＷＬから、インテグレータ光学系４２０によって照明光ＳＬが形成される。

次に、光分離光学系４３０において、照明装置４１０で形成された照明光ＳＬは、ダイクロイックミラー４３１によって、緑色光ＧＬと２色光ＲＢとに分離される。これによる反射光が緑色光ＧＬとなり、透過光が２色光ＲＢとなる。緑色光ＧＬは、ミラー４３２で反射されることにより方向転換され、フィールドレンズ４３４によって入射角度が調整される。さらに、緑色光ＧＬは、光変調装置４５０の液晶ライトバルブ４５１ｇに導かれ、液晶ライトバルブ４５１ｇを照射する。２色光ＲＢも、同様に、ミラー４３３で反射されることにより方向転換される。この過程において、不図示の調整バルブによって、時系列に透過する色が切換えられ、２色光ＲＢの色調整が行われる。例えば、カラーフィルタを用いたカラーホィール等を制御することによって上記調整は可能である。色光の調整が行われた２色光ＲＢは、フィールドレンズ４３５によって入射角度が調整され、光変調装置４５０の液晶ライトバルブ４５１ｇに導かれ、液晶ライトバルブ４５１ｒを照射する。

次に、光変調装置４５０において、各液晶ライトバルブ４５１ｇ、４５１ｒをそれぞれ照射した各色の色光ＧＬ、ＲＢは、まず、各液晶ライトバルブ４５１ｇ、４５１ｒ内の偏光子により、各液晶パネル４５３ｇ、４５３ｒへの入射光の偏光方向がより狭い範囲に限定され、偏光度が高められる。偏光度が高められた各色光のうち、緑色光ＧＬは、垂直配向液晶パネル４５３ｇに入射し、２色光ＲＢは、ＴＮ配向液晶パネル４５３ｒに入射する。各液晶パネル４５３ｇ、４５３ｒによって変調された各色光ＧＬ、ＲＢは、さらに検光子によって特定方向の偏光成分が選択される。以上により、各液晶ライトバルブ４５１ｇ、４５１ｒによって各色光ＧＬ、ＲＢの像光が形成される。

形成された像光は、ダイクロイックプリズム４７０で互いに結合する。これにより形成された合成光は、投射レンズ４９０から投射光としてスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。

ここで、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、光源４０１として高圧水銀ランプを用いている。この場合、高圧水銀ランプの特性により、各色光のうち、特に緑色光ＧＬの波長帯域の光量が比較的大きくなるため、緑色光ＧＬに対しては垂直型液晶パネルである垂直配向液晶パネル４５３ｇが用いられている。

尚、本実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、光源４０１として高圧水銀ランプの代わりに、メタルハライドランプやハロゲンランプを用いることも可能である。この場合、光量が比較的大きくなる色光が、ダイクロイックミラー４３１によって抽出されるように反射・透過特性を設定すればよい。

なお、この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

また、上記実施形態では、照明装置１０からの光を複数の部分光束に分割するため、２つのフライレンズアレイ２、３を用いていたが、この発明は、このようなフライレンズアレイを用いないプロジェクタにも適用可能である。さらに、フライレンズアレイ２、３をロッドインテグレータに置き換えることもできる。

また、上記プロジェクタ１００において、照明装置１０からの光を特定方向の偏光とする偏光変換素子アレイ４を用いていたが、この発明は、このような偏光変換素子アレイ４を用いないプロジェクタにも適用可能である。

また、上記実施形態では、透過型のプロジェクタに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型プロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含むライトバルブが光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、ライトバルブが光を反射するタイプであることを意味している。反射型プロジェクタの場合、ライトバルブは液晶パネルのみによって構成することが可能であり、一対の偏光板は不要である。なお、光変調装置は液晶パネル等に限られず、例えばマイクロミラーを用いた光変調装置であってもよい。

また、プロジェクタとしては、投写面を観察する方向から画像投写を行う前面プロジェクタと、投写面を観察する方向とは反対側から画像投写を行う背面プロジェクタとがあるが、図１に示すプロジェクタの構成は、いずれにも適用可能である。

第１実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）は、光源の分光分布を示すグラフである。 第３実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。 （ａ）、（ｂ）は、第４実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００…プロジェクタ、 １、２０１、３０１、４０１…光源、 １０、２１０、３１０、４１０…照明装置、 ３０、２３０、３３０、４３０…光分離光学系、 ５０、２５０、３５０、４５０…光変調装置、 ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇ、…液晶ライトバルブ、 ５３ｇ…垂直配向液晶パネル、 ５３ｒ、５３ｂ…ＴＮ配向液晶パネル、 ７０…クロスダイクロイックプリズム、 ２７０…光合成光学系、 ３７０、４７０…ダイクロイックプリズム、 ９０、２９０、３９０、４９０…投射レンズ、 ＲＬ…赤色光、 ＧＬ…緑色光、 ＢＬ…青色光

Claims (15)

1. 複数の色光をそれぞれ変調する複数の液晶パネルと、
   前記複数の液晶パネルによって変調された光を合成する色合成光学系と、
   前記色合成光学系によって合成された光を投射する投射光学系と、
   を備えたプロジェクタであって、
   前記複数の色光のうち、少なくとも光量が最も大きい色光を変調する前記液晶パネルは、一対の基板と、前記基板間に垂直配向される液晶とを有する垂直型液晶パネルであり、
   前記光量が最も大きい色光以外の色光のうち、少なくともひとつの色光を変調する前記液晶パネルは、一対の基板と、前記基板間に平行配向される液晶とを有する平行型液晶パネルであることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記垂直型液晶パネルは、前記複数の色光のうち、高コントラストを要する色光に対して用いられることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
3. 前記平行型液晶パネルは、ツイステッドネマティック型の液晶パネルであることを特徴する請求項１及び請求項２のいずれか一項記載のプロジェクタ。
4. 光源と、前記光源から射出された光を前記複数の色光に分離する色分離光学系とをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか一項記載のプロジェクタ。
5. 前記光源は、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかであり、
   前記複数の色光は、赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、前記緑色光は、前記垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、前記青色光及び前記赤色光は、前記平行型液晶パネルを用いて変調されることを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
6. 前記光源は、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかであり、
   前記複数の色光は、赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、前記緑色光及び前記青色光は、前記垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、前記赤色光は、前記平行型液晶パネルを用いて変調されることを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
7. 前記光源は、ハロゲンランプであり、
   前記複数の色光は、赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、前記赤色光は、前記垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、前記緑色光及び前記青色光は、前記平行型液晶パネルを用いて変調されることを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
8. 前記光源は、ハロゲンランプであり、
   前記複数の色光は、赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光を含み、前記赤色光及び前記緑色光は、前記垂直型液晶パネルを用いて変調されるとともに、前記青色光は、前記平行型液晶パネルを用いて変調されることを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
9. 前記複数の色光は、４つの色光であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項記載のプロジェクタ。
10. 前記４つの色光は、赤色光、青色光、及び緑色光の３つの色光にさらに１つの色光を加えたものであることを特徴とする請求項９記載のプロジェクタ。
11. 前記４つの色光は、前記３つの色光に黄色光を加えたものであることを特徴とする請求項１０記載のプロジェクタ。
12. 前記複数の色光は、２つの色光であることを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
13. 前記２つの色光は、無彩色光と、有彩色光とであり、前記高コントラストを要する色光は前記無彩色光であることを特徴とする請求項１２記載のプロジェクタ。
14. 前記光源は、高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプのいずれかであり、
    前記２つの色光は、一方が緑色光であり、前記緑色光は、前記光量が最も大きい色光であることを特徴とする請求項１２記載のプロジェクタ。
15. 前記垂直型液晶パネルは、ノーマリーブラックモードで動作し、前記平行型液晶パネルは、ノーマリーホワイトモードで動作することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一項記載のプロジェクタ。
    
    

Images