JP4707270B2 - Image projection device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子の画像をレンズ系によって拡大した拡大像を投射して観察する画像投射装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等に適用して好適である。
【0002】
【従来の技術】
液晶などの小型画像表示素子の画像をレンズ系を介して拡大して表示する表示装置にはヘッドマウントディスプレイと呼ばれる眼前に装着、またはかざして拡大像を観察するタイプと、拡大像をスクリーンに投影して投影像を観察するいわゆる投射型の表示装置がある。
【0003】
一般に、表示装置では、画面の解像度が表示品質を決める上で重要な要因となるが、従来の拡大投射型表示装置においては、画面の解像度を上げるために、小型画像表示装置の表示画素数を増やす方法が採られてきた。小型画像表示素子としては一般に各画素に対応させてトランジスタを形成した液晶表示素子が用いられている。このような素子においては、微細化には微細加工技術や配線抵抗、またトランジスタ領域や配線領域の確保の問題から限界がある上、このような素子は歩留まりの低下などのため高コストとなる。
また、素子の画素密度を変えずに素子を大型化する方法では、素子の生産性が低下するため、同じくコストが高くなるという問題に加えて、照明光学系や投射光学系が大型化し、装置の大型化やさらなる高コスト化の問題を生じる。
【0004】
一方、特許第2939826号公報には投射型の表示装置において、表示素子とスクリーンの間(すなわち表示素子の射出光路中)に偏光方向を旋回できる光学素子と複屈折効果を有する透明素子を設け、投影画像をシフトさせることによって高解像度化を実現する方法が開示されている(図23参照)。この方法は、廉価な画素数の少ない画像表示素子を用いて高解像度を実現することができるため、高精細化の有力な手法である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
拡大表示に用いる液晶表示素子は透過型と反射型に大別される。
透過型は、上述した特許第2939826号公報の投影表示装置で採用されている構成であり、ガラスなどの透光性基板の上にトランジスタおよびその配線、さらに画素電極を形成した基板を用いた液晶素子である。このような透過型の素子では、画素を高密度化した際には配線とトランジスタの領域のために実質的な開口率が低下するという問題がある。これは、光源の光量が一定であれば明るさの低下を招き、明るさを一定にするためには光源光量の増加すなわち消費電力の増加を招く。
【0006】
一方、反射型はシリコンウェハー上などの非透光性基板上にトランジスタおよび配線を形成し、さらにその上に反射電極を形成した基板を用いた液晶素子である。このような構成の特徴から、反射型の液晶表示素子は高密度化した際にも開口率の維持が容易であり、高精細化と光利用効率の両立が可能であるという特徴を有している。
【0007】
しかしながら、特許第2939826号公報には反射型の表示素子を用いた場合の構成については記載されていない。反射型では表示素子近傍では照明光と投射光が同じ光路を通ることになるため、透過型とは異なる光学系を採用する必要があり、それに伴って新たな開発すべき課題が生ずることになる。
例えば、特許第2939826号の構成を反射型に適用した場合、吸収型の偏光板とは異なり、偏光ビームスプリッタを用いると斜めから入射した光に対しては偏光軸が変化したり、分光透過率ないし分光反射率が変化したりする。また、インテグレータ照明系は光源を出た光の強度分布を均一化させるために用いるもので、原理的に異なる入射角の照明光で表示素子を照明することになる。
このような場合、斜め入射光の偏光軸の変化は隣接画素間のクロストークとなって表示品質を低下させる。また分光透過率/分光反射率の変化は表示の色むらとなって観察される。
【0008】
本発明は上述した問題点に鑑み、光路変調方式を用いたときのクロストークおよび色むらの問題を解決し、良好な高精細画像を有する画像投射装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明の請求項1の画像投射装置は、反射型の表示素子である画像表示素子と、光源光をその画像表示素子に均一に照明するための照明手段と、偏光ビームスプリッタと、前記画像表示素子で反射した画像光の偏光面を変化させ、その光の光路を変更して射出させる光路変調手段と、この光路変調手段を透過した光を投射する投射レンズとを備え、前記偏光ビームスプリッタは、前記照明手段と前記画像表示素子の間の光路中に設け、前記画像表示素子からの表示光が前記偏光ビームスプリッタを経由し、前記光路変調手段は、前記偏光ビームスプリッタと前記投射レンズの間に設け、前記画像表示素子の画像表示のタイミングに同期させて前記光路変調手段を作用させ、時系列的に光路が変調されていない画像光と光路が変調された画像光を射出させる画像投射装置であって、前記光路変調手段と前記偏光ビームスプリッタの間に偏光手段をその偏光透過軸が前記偏光ビームスプリッタからの出射した直後の表示光の光軸光の偏光軸と平行となるように配置したことを特徴とする。
したがって、光路変調手段に入射する投射光の偏光方向を入射角によらず一定にすることができるので、シフト光と非シフト光の間のクロストークがなくなり、高コントラストで高精細な表示を行わせることができる。また、クロストークがないため、大きな入射角の光を入射できるようになるので、光源光の取り込み効率の高い照明光学系を設計することが可能となり、高光利用効率で消費電力の少ない画像投射装置が実現できる。
【0010】
また、本発明の請求項2は、請求項1に記載の画像投射装置において、前記偏光ビームスプリッタと前記光路変調手段の間に1/4波長板を遅相軸が光軸光の偏光方向に対して直交または平行となるように配置したことを特徴とする。
したがって、照明光と画像光の偏光面を同一にすることができるので、偏光ビームスプリッタによる光量損失や入射角による色変化を最小限にすることができ、より効率が高く、色むらの少ない画像投射ができる。
【0011】
また、本発明の請求項3は、請求項1または2に記載の画像投射装置において、前記画像表示素子に異なる波長域の照明光を分光・照明する分光手段と、前記画像表示素子からの反射光を合成する合成手段とを備えたことを特徴とする。
したがって、さらに光利用効率が高く、高精細な画像投射装置を提供できる。
【0012】
また、本発明の請求項4は、請求項3に記載の画像投射装置において、1つのダイクロイックプリズムを用いて、前記分光手段と前記合成手段の両方の機能をはたすようにしたことを特徴とする。
したがって、装置を小型に構成することができる。
【0013】
また、本発明の請求項5は、請求項3に記載の画像投射装置において、前記分光手段は、時系列的に異なる色光を順次前記画像表示素子に照明することを特徴とする。
したがって、光学系を小型に構成できるため小型の装置で高精細なカラ−画像を表示することができる。
【0014】
また、本発明の請求項6は、請求項1乃至5のいずれか1に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、入射する光の偏光方向を略直交する方向に変調可能な偏光変調素子と、この偏光変調素子の一方の偏光に対して光路を変化させる光路変更光学素子とを備え、前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変更光学素子の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置することを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【0015】
また、本発明の請求項7は、請求項1乃至5のいずれか1に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、特定の偏光に対して光路の変調量が可変であることを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【0016】
また、本発明の請求項8は、請求項7に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、この光路変調手段の遅相軸または進相軸が一方の偏光軸と投射光光軸の作る面内にあるように配置し、かつ、この遅相軸または進相軸の投射光光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させ、前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変調手段の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置したことを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【0017】
また、本発明の請求項9は、請求項7に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、投射光光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の入射偏光に対する実効的な屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるようにしたことを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の画像投射装置の実施例を詳細に述べる。
<実施例1>
図1は、本発明の画像投射装置の実施例1の構成を示したものである。
図1において、実施例1は、光源101、フライアイレンズからなるインテグレータ光学系103、偏光ビームスプリッタ104、反射型の液晶表示素子である画像表示素子105、光路変調手段130、投射レンズ108、インテグレータ光学系103(フライアイレンズ)を透過した光を画像表示素子105上に集光するフィールドレンズ109、偏光手段120とから構成される。ここで、光路変調手段130は、偏光変調素子106と複屈折板からなる光路変更光学素子107とが組み合わされて機能する。
このように本実施例1は、液晶表示素子を一枚用いたいわゆる単板式の光学系構成を例に説明するものである。
【0019】
光路変調手段130(偏光変調素子106および複屈折板107)は、偏光ビームスプリッタ104と投射レンズ108の間に配置される。
偏光手段120は、偏光透過軸が光軸光の偏光軸と平行となるよう配置する必要がある。ここで用いる偏光手段120は、ある特定の直線偏光のみを透過させるものであれば用いることができ、例えば、第二の偏光ビームスプリッタ、プリズム型偏光子または吸収型偏光子を用いる。このうち、入射角依存性が小さいことから吸収型偏光子を使用するのが好適である。
【0020】
偏光ビームスプリッタ104は、偏光子および検光子として機能するが、吸収型の偏光板とは異なり、斜めから入射した光に対しては偏光軸が変化したり、分光透過率ないし分光反射率が変化したりする。
図2は、偏光ビームスプリッタ104における偏光面の変化を模式的に示したものである。図2において、104Fは偏光ビームスプリッタ104の多層膜からなる偏光分離膜面を表し、面Aは入射光線の入射する面を表し、入射光としては光軸光L1および光軸光から傾斜したL2およびL3の光線を考える。
このような光線は、面Bの面内にそれぞれ射出する。入射偏光が光軸光ではない場合、偏光分離膜のs偏光方向は入射の偏光方向とずれるため、射出光の偏光方向は、光線の進行方向から見た場合、図3に示すように入射角によって異なる偏光方向を有することになる。図2では反射光について記載したが、透過光についても同様な原理により入射角により偏光面が変化することになる。
【0021】
図1中の光線は、中央のフライアイレンズの照明域を図示したもので、図1のように各フライアイレンズが表示素子105全面を照明するように構成されている。
この図1の照明は、インテグレータ光学系103の一般的な作用を示したものであり、このような構成によって、光源の強度分布を表示素子105面で均一化している。図2では、主光線と偏光ビームスプリッタ104の分離膜の法線が形成する面に直交する面(面A)内での角度を図示しているが、実際には様々な角度成分の光線が偏光ビームスプリッタ104に入射することになる。先に説明したように斜めに入射する光線に対しては、偏光ビームスプリッタ104からの射出光の偏光軸は入射角によって変化するので、光線全体としては偏光度が低下するように作用してしまう。
【0022】
図4および図5は、光路変調手段130の構成と作用を説明する図である。偏光変調素子106は、入射光の偏光面を略90°変化させるように作用する。
図4は、偏光変調素子106がonの場合の作用を示している。このとき、偏光変調素子106は、偏光面を回転させるよう作用するものとし、また入射光の偏光方向は図4中で矢印で示した方向であるとする。図左側にある偏光ビームスプリッタ104(PBS,図示せず)から入射した光L4は偏光変調素子106を透過し、紙面垂直方向の偏光に変調され、複屈折板からなる光路変更光学素子107に入射する。光路変更光学素子107は、107xで示した方向に結晶光軸を有した複屈折板であり、その光軸は、偏光変調素子106からの射出光の一方の偏光軸(本実施例1では、偏光変調素子106がoffの時の縦方向の偏光方向)と入射光主光軸の作る面内にあって、投射光学系の光軸に対して傾斜配置されている。このような構成において、偏光変調素子106を透過した光は光路の変調をうけることなく透過し、投射レンズ108(図示せず)に入射する。
【0023】
図5は、図4において偏光変調素子106がoffの場合を示している。
この場合、入射光L4は偏光面の変調を受け、光路変更光学素子107(複屈折板)の光軸傾斜方向を含む面内で偏光した光となる。この光は、光路変更光学素子107によって光路がシフトされ射出する。
偏光変調素子106を表示画像の切り替えと同期させてon/offすることで、本実施例1では2倍の画素数を表示するものである。本実施例1では垂直方向のシフトのみを説明したが、直交する方向へのシフト素子を付加することで4倍の画素数も実現可能である。
【0024】
ところで、偏光ビームスプリッタ104からの射出光は上述のように偏光方向に分布を持つ光となり、このような光が図4または図5のような作用を受けた場合、入射角によって入射光L4の偏光方向が異なるようになるため、光路変更光学素子107への入射偏光の偏光面が光路変更光学素子107の結晶光軸と投射光光軸の作る面からずれることとなる。
このような条件では、本来光軸がシフトされるような図5のような縦偏光が光路変更光学素子107に入射するケースにおいても、横偏光成分が含まれることとなり、シフトした画像とシフトしない画像が混在してしまう。これを模式的に図示したものが図6および図7である。
図6は本来表示されるべき画像を表し、行C1が非シフト画像、行C2がシフト画像に対応する。図のような二値表示を行わせた場合、図7のように、隣接する画素のデータが影響し、濃度変化を生じ、結果としてコントラストが低下してしまう。
【0025】
図1における偏光手段120は、入射光の偏光方向を、実質的に光路変更光学素子107の結晶光軸と投射光光軸の作る面内の方向またはそれに直交する方向に揃えるよう作用する。このような構成では、入射光は確実に光路シフトを受けるか受けないかを制御できるため、図7に示すようなクロストークは起こらず、図6に示すような高いコントラストの表示を得ることができる。
【0026】
偏光変調素子106は、入射光の偏光方向を略90度変調できるものであれば使用することができ、電気光学結晶や液晶セルを用いるのが好ましい。なかでも液晶はこのような機能を廉価なコストで実現できるため特に好ましい。
液晶としては、90度ねじれたねじれネマティック方式や同じくネマティック液晶の電界による傾き角変化を利用した複屈折モード、強誘電性液晶のティルト角変化を利用した強誘電性液晶方式などを採用することができるが、中でも高速応答性が得られることから強誘電性液晶方式が特に好ましい。
【0027】
<実施例2>
図8は、本発明の画像投射装置の実施例2の構成を示すものである。本実施例2でも実施例1と同様に、単板方式を例に説明する。
図8においては、実施例1に加えて、1/4波長板110を偏光ビームスプリッタ104と画像表示素子105の間に配置している。1/4波長板110は、その遅相軸を光軸光の偏光方向に対して平行または直交させて配置する必要がある。
また、1/4波長板110は、往復で1/2波長板として作用し、画像表示素子105からの反射光の偏光方向を、偏光ビームスプリッタ104のp偏光方向またはs偏光方向に一致させるように作用する。このような構成により、偏光ビームスプリッタ104に斜めに入射する光であっても高い効率で利用することができ、また斜入射時の波長特性を減ずることができる。
【0028】
実施例1および実施例2においてカラー表示を行わせるためには、画像表示素子内にマイクロカラーフィルタを設ける方法、または画像表示素子の外部にホログラム素子のような分光素子を設けて異なる色光群で画像表示素子を照明する方法などを用いることができる。
【0029】
<実施例3>
図9は、本発明の画像投射装置の実施例3の構成を示すもので、図1および図2と同じ意味をもつ構成要素には同じ符号を付しているが、添え字r,g,bは各々赤、緑、青に対応する素子または光学要素を表すものとする。本実施例3は、多板式の構成に関するものである。
図9において、111〜113はプリズムであり111と112のプリズム間および112と113のプリズム間にはダイクロイック膜が形成されており、いわゆるフィリップスプリズムと呼ばれるプリズム群を構成している。
本実施例3の構成にすると、各画像表示素子は単色光の変調を行い、これらがプリズムで再度合成されるため、実施例1や実施例2に比べて光量ロスが少なく、高解像度化が容易となる。
本実施例3ではフィリップスプリズムによって色分離合成プリズムを構成したが、クロスダイクロイックプリズムによって構成することもできる。ただしプリズムの入射角依存を考慮するとフィリップスプリズムの方が好ましい。
【0030】
<実施例4>
図10は、本発明の画像投射装置の実施例4の構成を示すもので、図1および図2と同じ意味をもつ構成要素には同じ符号を付しているが、添え字r,g,bは各々赤、緑、青に対応する素子または光学要素を表すものとする。
本実施例4では色分離と色合成の機能を分離し、3板構成としている。
図10において、114は色合成用のクロスダイクロイックプリズムであり、115a、115bは色分解用のダイクロイックミラーである。116はミラーを表す。117は光路長調整用のリレーレンズである。
本実施例4をこのような構成とすると、実施例3に比べて装置が大型化するものの、偏光ビームスプリッタ104の光学特性を各波長領域に対して最適化できるため、光コントラストが得られやすくなる。
【0031】
<実施例5>
図11は、本発明の画像投射装置の実施例5の構成を示すものである。
本実施例5は、実施例2に加え、照明光の色を時系列的に切り替える可変分光手段118を照明光の光路中に設ける。この可変分光手段118には、例えば、図12に示すような回転色フィルタを用いる。ここで、118r,118g,118bはそれぞれ赤、緑、青を透過するカラーフィルタであり、これらが回転することにより照明光の色を順次切り替えるものである。また、119はコリメートレンズである。また、画像表示素子105は、照明光の色変化に同期して対応する色画像を表示し、これを繰り返すことで時間的に色情報を重畳し、カラー画像を投射するものである。
【0032】
本実施例5における可変分光手段118は、回転色フィルタの他に、例えば、カラーリンク社からカラースイッチの名称で商品化されている液晶素子と位相差板を用いた分光素子を用いることもできる。
また、本実施例5では白色光源を分光する方法を採用しているが、光源自体の発光スペクトルが時系列的に変化してもよく、このような光源としては、発光ダイオードや固体レーザ、半導体レーザ、ガスレーザなどが好ましい。この際、必要に応じて光量を変調するための音響光学素子などの変調デバイスを光路中に設けることもできる。
【0033】
本実施例5をこのように構成すると、少ない画像表示素子の枚数でカラー表示を行わせることができ、また光学系が3板式に比べて簡単・小型であるため、装置を小型でかつ廉価に構成できる。
【0034】
<実施例6>
図13は、本発明の画像投射装置の実施例6の構成を示すものである。
光学系の基本的な構成は構成例5をもとに説明する。本実施例6は、偏光変調手段106および光路変更光学素子107に代わって、遅相軸または進相軸の傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させる光路変調手段121を投射光路中に設ける。
図14および図15は、本実施例6の作用を説明するものである。
本実施例6の光路変調手段121は、液晶などからなる外場によって遅相軸または進相軸の方向を変調可能な材料が透光性基板に狭持されて構成されている。
また、この基板には透明電極が形成されており(図示せず)、液晶に電圧を印加することにより液晶の配向方向を制御することにより図14の状態と図15の状態を切り替える。図では、垂直配向と傾斜配向の間の配向構造の変化の例であるが、水平配向と傾斜配向の間の配向変化や、逆方向に傾斜した配向状態の間の変化を利用することも可能である。
液晶にはネマティック液晶や強誘電性液晶およびこれらに高分子材料が加わった材料などを用いるのが好適である。図14の状態では、入射光L10は液晶によって光路が曲げられるのに対し、図15ではこのような作用は生じないので、これら両配向構造間を切り替えることで、画像光の光路をシフトさせることが可能となる。
偏光手段120の透過軸は、偏光ビームスプリッタ104からの射出光の偏光方向に平行で、液晶の傾斜方向と投射光光軸のなす面に平行である必要がある。
【0035】
本実施例6をこのような構成にすることによって、斜めに入射して偏光面が光軸光に対してずれた投射光であっても、偏光面が光軸光と一致するため、隣接画素へ影響することなく、光コントラストの表示を行わせることができる。
また、実施例1などの偏光変調素子106を用いた方式に比べて構成が単純化できる。
【0036】
<実施例7>
図16は、実施例6における光路変調手段121の別の構成を示したもので、主光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるものである。
この光路変調手段121は、基板121a、121bの間に液晶などからなる外場によって光学特性が変化する材料121cが挟持され、基板と液晶の界面は図示するように主光軸に対して傾斜して配置されている。
材料121cは、電界等の印加によって、例えば、図16の状態と図17の状態との間で可逆的に変化を起こす。材料121cが液晶である場合について説明すると、液晶の常光に対する屈折率をno、異常光に対する屈折率をneとしたとき、液晶層に入射した光の曲折は基板の屈折率nsと液晶層の実効的な屈折率で決定される。垂直方向の偏光に対しては、図16ではほぼ屈折率neが実効的に働き、図17では屈折率noが実効的となる。一般に、
屈折率ne>屈折率no
であるので、外場によって図16と図17の間で配向を変化させることで、光路の曲折の程度を制御できる(図では簡略化のためにno=nsとした)。
【0037】
一方、紙面垂直方向の偏光に対してはいずれの配向の場合も実効的に屈折率noが作用するので光路は曲折されずに素子を透過する。
図18および図19は、上述した実施例6における光路変調手段121(図16および図17)を変形した別の構成であり、鋸歯状の構造121dを基板内面に形成することによって傾斜した界面を構成した例である。
また、図20は、図18に示した光路変調手段121の別の構成であり、両側の基板に鋸歯状構造を形成した例である。
また、図21は、図18に示した光路変調手段121をさらに改良したものであり、傾斜界面を有する素子を二つ組み合わせたものである。この構成では2つの素子の間隔を調整することによって任意のシフト量を得ることができるようになる。
【0038】
材料として用いる液晶には、誘電異方性が負のネマティック液晶を垂直配向させた液晶素子、誘電異方性が正のネマティック液晶を水平配向させた液晶素子および水平配向させた強誘電性液晶素子などが好ましい。
強誘電性液晶の場合、電界による配向状態の変化は図18と図22の間のような変化となり、光軸シフトの変調が可能となる。特に、強誘電性液晶を用いた場合には、高速の光路変調が可能となり特に好ましい。
【0039】
本実施例7による構成では、実施例1に比べて光路変調をさせるための構造が簡略化される。
このような構成において、偏光ビームスプリッタ104と光路変調手段121の間に偏光手段120を設けることにより、投射光に作用する実効的な屈折率が入射角に依存せずほとんど一定とできるため、光路のシフト量の入射角依存が低減され、より均一で、画像のボケのない投射画像を得ることができる。
本実施例7の構成にあっては、偏光手段120の透過軸は光路変調手段121中の液晶分子が水平に配向した際のその配向方向、一般的に光学的には遅相軸の方向と投射光光軸のなす面に平行に配置されていることが、効率的なシフト量を確保する上で好ましい。
【0040】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によると、光路変調方式を用いたときのクロストークおよび色むらの問題を解決し、良好な高精細画像を有する画像投射装置が実現できる。
【0041】
また、本発明の請求項1によれば、光路変調手段に入射する投射光の偏光方向を入射角によらず一定にすることができるので、シフト光と非シフト光の間のクロストークがなくなり、高コントラストで高精細な表示を行わせることができる。また、クロストークがないため、大きな入射角の光を入射できるようになるので、光源光の取り込み効率の高い照明光学系を設計することが可能となり、高光利用効率で消費電力の少ない画像投射装置が実現できる。
【0042】
また、本発明の請求項2によれば、照明光と画像光の偏光面を同一にすることができるので、偏光ビームスプリッタによる光量損失や入射角による色変化を最小限にすることができ、より効率が高く、色むらの少ない画像投射ができる。
【0043】
また、本発明の請求項3によれば、さらに光利用効率が高く、高精細な画像投射装置を提供できる。
【0044】
また、本発明の請求項4によれば、装置を小型に構成することができる。
【0045】
また、本発明の請求項5によれば、光学系を小型に構成できるため小型の装置で高精細なカラ−画像を表示することができる。
【0046】
また、本発明の請求項6、7、8および9によれば、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1の構成図である。
【図2】 偏光ビームスプリッタにおける偏光面の変化を模式的に示した図である。
【図3】 入射角によって異なる偏光方向を有することを説明するための図である。
【図4】 光路変調手段の構成と作用を説明する図である(偏光変調素子がonの場合)。
【図5】 光路変調手段の構成と作用を説明する図である(偏光変調素子がoffの場合)。
【図6】 本来表示されるべき画像の模式図である。
【図7】 偏光方向に分布を持つ光により、隣接する画素のデータが影響した場合の模式図である。
【図8】 本発明の実施例2の構成図である。
【図9】 本発明の実施例3の構成図である。
【図10】 本発明の実施例4の構成図である。
【図11】 本発明の実施例5の構成図である。
【図12】 可変分光手段の構成を説明するための図である。
【図13】 本発明の実施例6の構成図である。
【図14】 実施例6の作用を説明するための図である。
【図15】 実施例6の作用を説明するための図である。
【図16】 実施例6における光路変調手段の別の構成である(実効屈折率が液晶の常光に対する屈折率の場合)。
【図17】 実施例6における光路変調手段の別の構成である(実効屈折率が液晶の異常光に対する屈折率の場合)。
【図18】 実施例6における光路変調手段を変形した別の構成である(実効屈折率が液晶の常光に対する屈折率の場合)。
【図19】 実施例6における光路変調手段を変形した別の構成である(実効屈折率が液晶の異常光に対する屈折率の場合)。
【図20】 図18に示した光路変調手段の別の構成であり、両側の基板に鋸歯状構造を形成した例である。
【図21】 図18に示した光路変調手段をさらに改良した構成である。
【図22】 図18の光路変調手段に強誘電性液晶を使用した場合の構成である。
【図23】 従来の技術による画像投射装置の構成図である。
【符号の説明】
101…光源、103…インテグレータ光学系、104…偏光ビームスプリッタ、105…画像表示素子、106…偏光変調素子、107…光路変更光学素子(複屈折板)、108…投射レンズ、109…フィールドレンズ、110…1/4波長板、111,112,113…プリズム、114…色合成用のクロスダイクロイックプリズム、115a,115b…色分解用のダイクロイックミラー、116…ミラー、117…光路長調整用のリレーレンズ、118…可変分光手段(回転色フィルタ)、119…コリメートレンズ、120…偏光手段、121,130…光路変調手段、121a,121b…基板、121c…材料、121d…鋸歯状の構造。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image projection apparatus that projects and observes an enlarged image obtained by enlarging an image of an image display element with a lens system, and is particularly suitable for application to a head mounted display, a projector, and the like.
[0002]
[Prior art]
A display device that enlarges and displays an image of a small image display device such as a liquid crystal through a lens system is called a head-mounted display. Thus, there is a so-called projection type display device that observes a projected image.
[0003]
In general, in a display device, the screen resolution is an important factor in determining display quality. However, in a conventional enlarged projection display device, the number of display pixels of a small image display device is set to increase the screen resolution. The method of increasing has been taken. As a small image display element, a liquid crystal display element in which a transistor is formed corresponding to each pixel is generally used. In such an element, miniaturization has a limit due to problems of microfabrication technology, wiring resistance, and securing of a transistor region and a wiring region, and such an element is expensive due to a decrease in yield.
In addition, in the method of enlarging the element without changing the pixel density of the element, the productivity of the element is reduced, and in addition to the problem that the cost is increased, the illumination optical system and the projection optical system are enlarged, and the device The problem of larger size and higher cost arises.
[0004]
On the other hand, in Japanese Patent No. 2939826, in a projection type display device, an optical element capable of rotating the polarization direction and a transparent element having a birefringence effect are provided between the display element and the screen (that is, in the emission optical path of the display element). A method for realizing high resolution by shifting a projected image is disclosed (see FIG. 23). This method is an effective method for high definition because high resolution can be realized using an inexpensive image display element with a small number of pixels.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Liquid crystal display elements used for enlarged display are roughly classified into a transmission type and a reflection type.
The transmissive type is a configuration adopted in the above-mentioned projection display device of Japanese Patent No. 2939826, and is a liquid crystal using a substrate on which a transistor, its wiring, and a pixel electrode are formed on a translucent substrate such as glass. It is an element. In such a transmissive element, there is a problem that when the pixel density is increased, the substantial aperture ratio decreases due to the wiring and transistor regions. This causes a decrease in brightness if the light amount of the light source is constant, and increases the light amount of the light source, that is, increases power consumption in order to make the brightness constant.
[0006]
On the other hand, the reflection type is a liquid crystal element using a substrate in which transistors and wirings are formed on a non-transparent substrate such as a silicon wafer and a reflective electrode is further formed thereon. Due to the characteristics of such a configuration, the reflective liquid crystal display element has the feature that the aperture ratio can be easily maintained even when the density is increased, and both high definition and light utilization efficiency can be achieved. Yes.
[0007]
However, Japanese Patent No. 2939926 does not describe a configuration in the case of using a reflective display element. In the reflection type, illumination light and projection light pass through the same optical path in the vicinity of the display element, so it is necessary to adopt an optical system different from the transmission type, and this causes a new problem to be developed. .
For example, when the configuration of Japanese Patent No. 2939826 is applied to a reflection type, unlike an absorption type polarizing plate, a polarization beam splitter is used to change the polarization axis for obliquely incident light or to change the spectral transmittance. Or the spectral reflectance changes. The integrator illumination system is used to make the intensity distribution of the light emitted from the light source uniform, and in principle, the display element is illuminated with illumination light having different incident angles.
In such a case, the change in the polarization axis of the obliquely incident light becomes crosstalk between adjacent pixels and degrades the display quality. Further, the change in spectral transmittance / spectral reflectance is observed as uneven display color.
[0008]
In view of the above-described problems, an object of the present invention is to solve the problems of crosstalk and color unevenness when an optical path modulation method is used, and to provide an image projection apparatus having a good high-definition image.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an image projection apparatus according to claim 1 of the present invention includes an image display element which is a reflective display element, and illumination means for uniformly illuminating the image display element with light source light. A polarization beam splitter, an optical path modulation unit that changes the polarization plane of the image light reflected by the image display element, changes the optical path of the light, and emits the light, and a projection lens that projects light transmitted through the optical path modulation unit The polarization beam splitter is provided in an optical path between the illumination means and the image display element, Display light from the image display element passes through the polarization beam splitter, The optical path modulation means is provided between the polarization beam splitter and the projection lens, and operates the optical path modulation means in synchronization with the image display timing of the image display element, so that the optical path is not modulated in time series. An image projection apparatus for emitting image light and image light whose optical path is modulated, wherein the polarizing means is disposed between the optical path modulating means and the polarizing beam splitter, and the polarization transmission axis thereof Display light immediately after exiting from the polarizing beam splitter The optical axis is arranged so as to be parallel to the polarization axis of the light.
Therefore, since the polarization direction of the projection light incident on the optical path modulation means can be made constant regardless of the incident angle, there is no crosstalk between the shifted light and the non-shifted light, and high-contrast and high-definition display is performed. Can be made. In addition, since there is no crosstalk, light with a large incident angle can be incident, so that it is possible to design an illumination optical system with high light source light capture efficiency, and an image projection device with high light utilization efficiency and low power consumption. Can be realized.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the first aspect, a quarter wavelength plate is provided between the polarization beam splitter and the optical path modulation means so that the slow axis is in the polarization direction of the optical axis light. They are arranged so as to be orthogonal or parallel to each other.
Therefore, since the polarization planes of the illumination light and the image light can be made the same, it is possible to minimize the light loss due to the polarization beam splitter and the color change due to the incident angle, and the image is more efficient and has less color unevenness. Can project.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the first or second aspect, a spectroscopic unit that spectrally illuminates illumination light in a different wavelength range on the image display element, and a reflection from the image display element. And a synthesis means for synthesizing light.
Therefore, it is possible to provide a high-definition image projection apparatus with higher light utilization efficiency.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the third aspect, the function of both the spectroscopic means and the synthesizing means is achieved by using one dichroic prism. .
Therefore, the apparatus can be made small.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the third aspect, the spectroscopic means sequentially illuminates the image display elements with different color lights in time series.
Therefore, since the optical system can be made small, a high-definition color image can be displayed with a small device.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to any one of the first to fifth aspects, the optical path modulation means is a polarization modulation capable of modulating the polarization direction of incident light in a direction substantially orthogonal to the incident light. An optical path changing optical element that changes an optical path with respect to one polarization of the polarization modulation element, and the polarizing means has a polarization transmission axis that is a slow axis or a fast axis of the optical path changing optical element. And in a plane formed by the optical axis of the projected light or in a plane perpendicular to the optical axis.
Therefore, it is possible to provide a suitable configuration of the optical path modulation means for high definition.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to any one of the first to fifth aspects, the optical path modulation means has a variable optical path modulation amount with respect to a specific polarization. And
Therefore, it is possible to provide a suitable configuration of the optical path modulation means for high definition.
[0016]
Further, according to an eighth aspect of the present invention, in the image projection apparatus according to the seventh aspect, the optical path modulation unit is configured such that the slow axis or the fast axis of the optical path modulation unit is one of the polarization axis and the projection optical axis. The optical path of the incident polarized light is modulated by changing the tilt angle of the slow axis or the fast axis with respect to the projection optical axis, and the polarizing means has its polarization transmission axis. Is arranged so as to be in the plane formed by the slow axis or the fast axis of the optical path modulation means and the projection optical axis or in a plane orthogonal thereto.
Therefore, it is possible to provide a suitable configuration of the optical path modulation means for high definition.
[0017]
According to a ninth aspect of the present invention, in the image projection device according to the seventh aspect, the optical path modulation means has an interface inclined with respect to the optical axis of the projection light, and the incident polarization of the substance forming the interface The optical path of incident polarized light is modulated by changing the effective refractive index.
Therefore, it is possible to provide a suitable configuration of the optical path modulation means for high definition.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the image projection apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<Example 1>
FIG. 1 shows the configuration of Embodiment 1 of the image projection apparatus of the present invention.
In FIG. 1, the first embodiment includes a light source 101, an integrator optical system 103 including a fly-eye lens, a polarizing beam splitter 104, an image display element 105 which is a reflective liquid crystal display element, an optical path modulation means 130, a projection lens 108, an integrator. It comprises a field lens 109 for condensing the light transmitted through the optical system 103 (fly eye lens) on the image display element 105 and a polarizing means 120. Here, the optical path modulation means 130 functions by combining the polarization modulation element 106 and the optical path changing optical element 107 made of a birefringent plate.
As described above, the first embodiment will be described by taking a so-called single-plate optical system configuration using one liquid crystal display element as an example.
[0019]
The optical path modulation unit 130 (the polarization modulation element 106 and the birefringent plate 107) is disposed between the polarization beam splitter 104 and the projection lens 108.
The polarization means 120 needs to be arranged so that the polarization transmission axis is parallel to the polarization axis of the optical axis light. The polarizing means 120 used here can be used as long as it transmits only a specific linearly polarized light. For example, a second polarizing beam splitter, a prism type polarizer, or an absorption type polarizer is used. Of these, it is preferable to use an absorptive polarizer because of its small incident angle dependency.
[0020]
The polarizing beam splitter 104 functions as a polarizer and an analyzer. However, unlike an absorption type polarizing plate, the polarization axis changes or the spectral transmittance or the spectral reflectance changes for light incident from an oblique direction. To do.
FIG. 2 schematically shows the change of the polarization plane in the polarization beam splitter 104. In FIG. 2, 104F represents a polarization separation film surface formed of a multilayer film of the polarization beam splitter 104, surface A represents a surface on which incident light is incident, and incident light is an optical axis light L1 and L2 inclined from the optical axis light. And consider the rays of L3.
Such light rays are respectively emitted into the surface B. When the incident polarized light is not optical axis light, the s-polarization direction of the polarization separation film is shifted from the incident polarization direction. Therefore, the polarization direction of the emitted light is an incident angle as shown in FIG. Have different polarization directions. Although the reflected light is described in FIG. 2, the plane of polarization of the transmitted light changes depending on the incident angle based on the same principle.
[0021]
The light rays in FIG. 1 illustrate the illumination area of the center fly-eye lens, and each fly-eye lens is configured to illuminate the entire surface of the display element 105 as shown in FIG.
The illumination in FIG. 1 shows a general action of the integrator optical system 103. With such a configuration, the intensity distribution of the light source is made uniform on the display element 105 surface. In FIG. 2, the angle in the plane (plane A) orthogonal to the plane formed by the principal ray and the normal of the separation film of the polarization beam splitter 104 is illustrated. The light enters the polarization beam splitter 104. As described above, for a light beam incident obliquely, the polarization axis of the light emitted from the polarization beam splitter 104 changes depending on the incident angle, so that the light beam as a whole acts to reduce the degree of polarization. .
[0022]
4 and 5 are diagrams for explaining the configuration and operation of the optical path modulation means 130. FIG. The polarization modulator 106 acts to change the polarization plane of incident light by approximately 90 °.
FIG. 4 shows the operation when the polarization modulator 106 is on. At this time, the polarization modulator 106 acts to rotate the polarization plane, and the polarization direction of the incident light is assumed to be the direction indicated by the arrow in FIG. Light L4 incident from a polarizing beam splitter 104 (PBS, not shown) on the left side of the drawing is transmitted through the polarization modulation element 106, modulated into polarized light in the direction perpendicular to the paper surface, and incident on the optical path changing optical element 107 formed of a birefringent plate. To do. The optical path changing optical element 107 is a birefringent plate having a crystal optical axis in the direction indicated by 107x, and the optical axis is one polarization axis of light emitted from the polarization modulation element 106 (in the first embodiment, The vertical polarization direction when the polarization modulation element 106 is off) and the plane formed by the main optical axis of the incident light, are inclined with respect to the optical axis of the projection optical system. In such a configuration, the light transmitted through the polarization modulator 106 is transmitted without undergoing optical path modulation, and is incident on the projection lens 108 (not shown).
[0023]
FIG. 5 shows a case where the polarization modulation element 106 in FIG. 4 is off.
In this case, the incident light L4 is modulated in the plane of polarization and becomes light polarized in a plane including the optical axis tilt direction of the optical path changing optical element 107 (birefringent plate). This light is emitted after its optical path is shifted by the optical path changing optical element 107.
In the first embodiment, the number of pixels is doubled by turning on / off the polarization modulator 106 in synchronization with switching of the display image. In the first embodiment, only the shift in the vertical direction has been described, but by adding a shift element in the orthogonal direction, the number of pixels can be increased four times.
[0024]
By the way, the light emitted from the polarization beam splitter 104 becomes light having a distribution in the polarization direction as described above, and when such light is subjected to the action as shown in FIG. 4 or FIG. Since the polarization directions become different, the polarization plane of the polarized light incident on the optical path changing optical element 107 is shifted from the plane formed by the crystal optical axis of the optical path changing optical element 107 and the projection optical axis.
Under such conditions, even in the case where the vertically polarized light as shown in FIG. 5 where the optical axis is originally shifted is incident on the optical path changing optical element 107, the horizontally polarized light component is included, and the shifted image is not shifted. Images will be mixed. FIG. 6 and FIG. 7 schematically show this.
FIG. 6 shows an image to be originally displayed, and row C1 corresponds to a non-shifted image and row C2 corresponds to a shifted image. When the binary display as shown in the figure is performed, as shown in FIG. 7, the data of the adjacent pixels is affected to cause a density change, resulting in a decrease in contrast.
[0025]
The polarizing means 120 in FIG. 1 acts so that the polarization direction of incident light is substantially aligned with the in-plane direction formed by the crystal optical axis of the optical path changing optical element 107 and the projection optical axis, or the direction orthogonal thereto. In such a configuration, it is possible to control whether incident light is reliably subjected to an optical path shift, so that crosstalk as shown in FIG. 7 does not occur and a high contrast display as shown in FIG. 6 can be obtained. it can.
[0026]
The polarization modulator 106 can be used as long as it can modulate the polarization direction of incident light by approximately 90 degrees, and an electro-optic crystal or a liquid crystal cell is preferably used. Among these, liquid crystal is particularly preferable because such a function can be realized at a low cost.
As the liquid crystal, a twisted nematic method twisted by 90 degrees, a birefringence mode using a tilt angle change due to an electric field of the nematic liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal method using a tilt angle change of a ferroelectric liquid crystal, etc. may be adopted. However, the ferroelectric liquid crystal method is particularly preferable because high-speed response can be obtained.
[0027]
<Example 2>
FIG. 8 shows the configuration of Embodiment 2 of the image projection apparatus of the present invention. In the second embodiment, similarly to the first embodiment, a single plate method will be described as an example.
In FIG. 8, in addition to the first embodiment, a quarter wavelength plate 110 is disposed between the polarization beam splitter 104 and the image display element 105. The quarter wavelength plate 110 needs to be arranged with its slow axis parallel or orthogonal to the polarization direction of the optical axis light.
The quarter-wave plate 110 acts as a half-wave plate in a reciprocating manner so that the polarization direction of the reflected light from the image display element 105 matches the p-polarization direction or the s-polarization direction of the polarization beam splitter 104. Act on. With such a configuration, even light incident obliquely on the polarization beam splitter 104 can be used with high efficiency, and the wavelength characteristics during oblique incidence can be reduced.
[0028]
In order to perform color display in the first and second embodiments, a method of providing a micro color filter in the image display element or a spectral element such as a hologram element outside the image display element and using different color light groups A method of illuminating the image display element can be used.
[0029]
<Example 3>
FIG. 9 shows the configuration of Embodiment 3 of the image projection apparatus of the present invention. Components having the same meaning as those in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals, but the subscripts r, g, Each b represents an element or an optical element corresponding to red, green, and blue. The third embodiment relates to a multi-plate configuration.
In FIG. 9, reference numerals 111 to 113 denote prisms, and a dichroic film is formed between the prisms 111 and 112 and between the prisms 112 and 113, forming a so-called Phillips prism group.
With the configuration of the third embodiment, each image display element modulates monochromatic light, and these are recombined by a prism. Therefore, there is less light loss and higher resolution than in the first and second embodiments. It becomes easy.
In the third embodiment, the color separation / combination prism is configured by the Philips prism, but may also be configured by a cross dichroic prism. However, the Philips prism is preferable in consideration of the incident angle dependency of the prism.
[0030]
<Example 4>
FIG. 10 shows the configuration of Embodiment 4 of the image projection apparatus of the present invention. Components having the same meaning as those in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals, but the subscripts r, g, Each b represents an element or an optical element corresponding to red, green, and blue.
In the fourth embodiment, the functions of color separation and color synthesis are separated, and a three-plate configuration is adopted.
In FIG. 10, reference numeral 114 denotes a cross dichroic prism for color synthesis, and 115a and 115b denote dichroic mirrors for color separation. Reference numeral 116 represents a mirror. 117 is a relay lens for adjusting the optical path length.
When the fourth embodiment has such a configuration, the apparatus is larger than the third embodiment, but the optical characteristics of the polarization beam splitter 104 can be optimized for each wavelength region, so that an optical contrast can be easily obtained. Become.
[0031]
<Example 5>
FIG. 11 shows the configuration of Embodiment 5 of the image projection apparatus of the present invention.
In the fifth embodiment, in addition to the second embodiment, variable spectral means 118 that switches the color of the illumination light in time series is provided in the optical path of the illumination light. For example, a rotating color filter as shown in FIG. Here, 118r, 118g, and 118b are color filters that transmit red, green, and blue, respectively, and the color filters sequentially switch the illumination light as they rotate. Reference numeral 119 denotes a collimating lens. Further, the image display element 105 displays a corresponding color image in synchronization with the color change of the illumination light, and repeats this to superimpose color information temporally and project a color image.
[0032]
In addition to the rotating color filter, the variable spectroscopic means 118 in the fifth embodiment can also use, for example, a spectroscopic element using a liquid crystal element and a phase difference plate, which are commercialized under the name of a color switch by Colorlink. .
Further, although the method of splitting the white light source is adopted in the fifth embodiment, the emission spectrum of the light source itself may change in time series. As such a light source, a light emitting diode, a solid-state laser, a semiconductor, etc. A laser, a gas laser or the like is preferable. At this time, a modulation device such as an acousto-optic element for modulating the amount of light can be provided in the optical path as necessary.
[0033]
By constructing the fifth embodiment in this way, color display can be performed with a small number of image display elements, and the optical system is simpler and smaller than the three-plate type, so that the apparatus is small and inexpensive. Can be configured.
[0034]
<Example 6>
FIG. 13 shows the configuration of Embodiment 6 of the image projection apparatus of the present invention.
The basic configuration of the optical system will be described based on the configuration example 5. In the sixth embodiment, in place of the polarization modulation means 106 and the optical path changing optical element 107, the optical path modulation means 121 for modulating the optical path of the incident polarized light by changing the tilt angle of the slow axis or the fast axis in the projection optical path. Provided.
14 and 15 illustrate the operation of the sixth embodiment.
The optical path modulation means 121 of the sixth embodiment is configured such that a material capable of modulating the direction of the slow axis or the fast axis by an external field made of liquid crystal or the like is sandwiched between the translucent substrates.
Further, a transparent electrode is formed on the substrate (not shown), and the state of FIG. 14 and the state of FIG. 15 are switched by controlling the alignment direction of the liquid crystal by applying a voltage to the liquid crystal. The figure shows an example of the change in the alignment structure between the vertical alignment and the tilted alignment, but it is also possible to use the change in the alignment between the horizontal alignment and the tilted alignment, or between the alignment states tilted in the opposite direction. It is.
As the liquid crystal, it is preferable to use a nematic liquid crystal, a ferroelectric liquid crystal, or a material obtained by adding a polymer material to these. In the state of FIG. 14, the optical path of the incident light L10 is bent by the liquid crystal, but such an action does not occur in FIG. 15, so that the optical path of the image light is shifted by switching between these two alignment structures. Is possible.
The transmission axis of the polarizing means 120 needs to be parallel to the polarization direction of the light emitted from the polarizing beam splitter 104 and parallel to the plane formed by the tilt direction of the liquid crystal and the optical axis of the projection light.
[0035]
By adopting such a configuration of the sixth embodiment, even if the incident light is obliquely incident and the plane of polarization is shifted from the optical axis light, the plane of polarization coincides with the optical axis light. The light contrast can be displayed without affecting the image.
Further, the configuration can be simplified as compared with the method using the polarization modulation element 106 in the first embodiment or the like.
[0036]
<Example 7>
FIG. 16 shows another configuration of the optical path modulation means 121 in the sixth embodiment, which has an interface inclined with respect to the main optical axis and changes the refractive index of at least one of the substances forming the interface. To modulate the optical path of incident polarized light.
In this optical path modulation means 121, a material 121c whose optical characteristics are changed by an external field made of liquid crystal or the like is sandwiched between substrates 121a and 121b, and the interface between the substrate and the liquid crystal is inclined with respect to the main optical axis as shown. Are arranged.
For example, the material 121c reversibly changes between the state of FIG. 16 and the state of FIG. 17 by application of an electric field or the like. The case where the material 121c is a liquid crystal will be described. When the refractive index of liquid crystal with respect to ordinary light is no and the refractive index with respect to extraordinary light is ne, the bending of light incident on the liquid crystal layer is the refractive index ns of the substrate and the effective of the liquid crystal layer. The refractive index is determined. For vertically polarized light, the refractive index ne substantially works effectively in FIG. 16, and the refractive index no becomes effective in FIG. In general,
Refractive index ne> Refractive index no
Therefore, the degree of bending of the optical path can be controlled by changing the orientation between FIG. 16 and FIG. 17 by an external field (in the figure, for simplicity, no = ns).
[0037]
On the other hand, with respect to polarized light in the direction perpendicular to the paper surface, the refractive index no effectively acts in any orientation, so that the optical path is transmitted without being bent.
18 and 19 show another configuration obtained by modifying the optical path modulation means 121 (FIGS. 16 and 17) in the sixth embodiment described above, and an inclined interface is formed by forming a sawtooth structure 121d on the inner surface of the substrate. This is a configured example.
FIG. 20 shows another configuration of the optical path modulation means 121 shown in FIG. 18, which is an example in which a sawtooth structure is formed on the substrates on both sides.
FIG. 21 shows a further improvement of the optical path modulation means 121 shown in FIG. 18, and is a combination of two elements having inclined interfaces. In this configuration, an arbitrary shift amount can be obtained by adjusting the interval between the two elements.
[0038]
The liquid crystal used as a material includes a liquid crystal element in which nematic liquid crystal having negative dielectric anisotropy is vertically aligned, a liquid crystal element in which nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy is horizontally aligned, and a ferroelectric liquid crystal element in which horizontal alignment is performed. Etc. are preferable.
In the case of a ferroelectric liquid crystal, the change in the alignment state due to the electric field is a change as shown in FIG. 18 and FIG. 22, and the optical axis shift can be modulated. In particular, when a ferroelectric liquid crystal is used, it is particularly preferable because high-speed optical path modulation is possible.
[0039]
In the configuration according to the seventh embodiment, the structure for performing optical path modulation is simplified as compared with the first embodiment.
In such a configuration, by providing the polarization unit 120 between the polarization beam splitter 104 and the optical path modulation unit 121, the effective refractive index acting on the projection light can be made almost constant without depending on the incident angle. Dependence of the shift amount on the incident angle is reduced, and a projection image that is more uniform and has no image blur can be obtained.
In the configuration of the seventh embodiment, the transmission axis of the polarization unit 120 is the alignment direction when the liquid crystal molecules in the optical path modulation unit 121 are horizontally aligned, generally optically the direction of the slow axis. In order to ensure an efficient shift amount, it is preferable that the projection optical axis be arranged in parallel to the surface.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to solve the problems of crosstalk and color unevenness when the optical path modulation method is used, and to realize an image projection apparatus having a good high-definition image.
[0041]
According to the first aspect of the present invention, since the polarization direction of the projection light incident on the optical path modulation means can be made constant regardless of the incident angle, there is no crosstalk between the shifted light and the non-shifted light. High-contrast and high-definition display can be performed. In addition, since there is no crosstalk, light with a large incident angle can be incident, so that it is possible to design an illumination optical system with high light source light capture efficiency, and an image projection device with high light utilization efficiency and low power consumption. Can be realized.
[0042]
Further, according to claim 2 of the present invention, since the polarization planes of the illumination light and the image light can be made the same, it is possible to minimize the light amount loss due to the polarization beam splitter and the color change due to the incident angle, It is possible to project an image with higher efficiency and less color unevenness.
[0043]
According to the third aspect of the present invention, it is possible to provide a high-definition image projection apparatus with higher light utilization efficiency.
[0044]
According to the fourth aspect of the present invention, the apparatus can be made compact.
[0045]
According to the fifth aspect of the present invention, since the optical system can be made compact, a high-definition color image can be displayed with a small device.
[0046]
According to the sixth, seventh, eighth and ninth aspects of the present invention, it is possible to provide a suitable configuration of the optical path modulation means for high definition.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a change of a polarization plane in a polarization beam splitter.
FIG. 3 is a diagram for explaining that a polarization direction varies depending on an incident angle.
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration and operation of the optical path modulation means (when the polarization modulation element is on).
FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration and operation of the optical path modulation means (when the polarization modulation element is off);
FIG. 6 is a schematic diagram of an image to be originally displayed.
FIG. 7 is a schematic diagram when data of adjacent pixels is affected by light having a distribution in the polarization direction.
FIG. 8 is a configuration diagram of Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining the configuration of variable spectroscopic means.
FIG. 13 is a configuration diagram of Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 14 is a diagram for explaining the operation of the sixth embodiment.
FIG. 15 is a diagram for explaining the operation of the sixth embodiment.
FIG. 16 shows another configuration of the optical path modulator in Example 6 (when the effective refractive index is the refractive index of liquid crystal with respect to ordinary light).
FIG. 17 shows another configuration of the optical path modulation means in the sixth embodiment (when the effective refractive index is a refractive index with respect to extraordinary light of a liquid crystal).
FIG. 18 shows another configuration in which the optical path modulation means in the sixth embodiment is modified (when the effective refractive index is the refractive index of liquid crystal with respect to ordinary light).
FIG. 19 shows another configuration in which the optical path modulation means in the sixth embodiment is modified (when the effective refractive index is a refractive index with respect to extraordinary light of a liquid crystal).
20 is another configuration of the optical path modulation means shown in FIG. 18, and is an example in which a sawtooth structure is formed on the substrates on both sides.
21 is a configuration obtained by further improving the optical path modulation means shown in FIG.
22 is a configuration in the case where a ferroelectric liquid crystal is used for the optical path modulation means of FIG.
FIG. 23 is a configuration diagram of an image projection apparatus according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light source, 103 ... Integrator optical system, 104 ... Polarization beam splitter, 105 ... Image display element, 106 ... Polarization modulation element, 107 ... Optical path changing optical element (birefringent plate), 108 ... Projection lens, 109 ... Field lens, DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... 1/4 wavelength plate, 111, 112, 113 ... Prism, 114 ... Cross dichroic prism for color composition, 115a, 115b ... Dichroic mirror for color separation, 116 ... Mirror, 117 ... Relay lens for optical path length adjustment 118, variable spectral means (rotating color filter), 119, collimating lens, 120, polarizing means, 121, 130, optical path modulating means, 121a, 121b, substrate, 121c, material, 121d, serrated structure.

Claims (9)

反射型の表示素子である画像表示素子と、
光源光をその画像表示素子に均一に照明するための照明手段と、
偏光ビームスプリッタと、
前記画像表示素子で反射した画像光の偏光面を変化させ、その光の光路を変更して射出させる光路変調手段と、
この光路変調手段を透過した光を投射する投射レンズとを備え、
前記偏光ビームスプリッタは、前記照明手段と前記画像表示素子の間の光路中に設け、前記画像表示素子からの表示光が前記偏光ビームスプリッタを経由し、前記光路変調手段は、前記偏光ビームスプリッタと前記投射レンズの間に設け、前記画像表示素子の画像表示のタイミングに同期させて前記光路変調手段を作用させ、時系列的に光路が変調されていない画像光と光路が変調された画像光を射出させる画像投射装置であって、
前記光路変調手段と前記偏光ビームスプリッタの間に偏光手段をその偏光透過軸が前記偏光ビームスプリッタからの出射した直後の表示光の光軸光の偏光軸と平行となるように配置したことを特徴とする画像投射装置。
An image display element which is a reflective display element;
Illuminating means for uniformly illuminating the image display element with light source light;
A polarizing beam splitter;
An optical path modulation means for changing the polarization plane of the image light reflected by the image display element, changing the optical path of the light, and emitting the light;
A projection lens for projecting light transmitted through the optical path modulation means,
The polarization beam splitter is provided in an optical path between the illumination unit and the image display element, and display light from the image display element passes through the polarization beam splitter, and the optical path modulation unit includes the polarization beam splitter and the display unit. Provided between the projection lenses, the optical path modulation means is operated in synchronization with the image display timing of the image display element, and image light in which the optical path is not modulated in time series and image light in which the optical path is modulated An image projection apparatus for emitting,
A polarizing means is disposed between the optical path modulating means and the polarizing beam splitter so that the polarization transmission axis thereof is parallel to the optical axis light of the display light immediately after being emitted from the polarizing beam splitter. An image projection apparatus.
請求項1に記載の画像投射装置において、
前記偏光ビームスプリッタと前記光路変調手段の間に1/4波長板を遅相軸が光軸光の偏光方向に対して直交または平行となるように配置したことを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to claim 1,
An image projection apparatus, wherein a quarter-wave plate is disposed between the polarization beam splitter and the optical path modulation means so that a slow axis is orthogonal or parallel to a polarization direction of the optical axis light.
請求項1または2に記載の画像投射装置において、
前記画像表示素子に異なる波長域の照明光を分光・照明する分光手段と、
前記画像表示素子からの反射光を合成する合成手段とを備えたことを特徴とする画像投射装置。
In the image projection device according to claim 1 or 2,
Spectroscopic means for spectrally illuminating illumination light in different wavelength ranges on the image display element;
An image projection apparatus comprising: a combining unit that combines reflected light from the image display element.
請求項3に記載の画像投射装置において、
1つのダイクロイックプリズムを用いて、前記分光手段と前記合成手段の両方の機能をはたすようにしたことを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to claim 3.
An image projection apparatus characterized in that a single dichroic prism is used to perform the functions of both the spectroscopic means and the combining means.
請求項3に記載の画像投射装置において、
前記分光手段は、時系列的に異なる色光を順次前記画像表示素子に照明することを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to claim 3.
The image projection device, wherein the spectroscopic unit sequentially illuminates the image display element with different color lights in time series.
請求項1乃至5のいずれか1に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、入射する光の偏光方向を略直交する方向に変調可能な偏光変調素子と、
この偏光変調素子の一方の偏光に対して光路を変化させる光路変更光学素子とを備え、
前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変更光学素子の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置することを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The optical path modulation means includes a polarization modulation element capable of modulating the polarization direction of incident light in a direction substantially orthogonal to
An optical path changing optical element that changes an optical path with respect to one polarization of the polarization modulation element;
The polarizing means is arranged so that a polarization transmission axis thereof is in a plane formed by a slow axis or a fast axis of the optical path changing optical element and a projection optical axis or in a plane orthogonal thereto. An image projection device.
請求項1乃至5のいずれか1に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、特定の偏光に対して光路の変調量が可変であることを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The image projection apparatus characterized in that the optical path modulation means has a variable optical path modulation amount with respect to a specific polarization.
請求項7に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、この光路変調手段の遅相軸または進相軸が一方の偏光軸と投射光光軸の作る面内にあるように配置し、かつ、この遅相軸または進相軸の投射光光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させ、
前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変調手段の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置したことを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to claim 7,
The optical path modulation means is arranged so that the slow axis or the fast axis of the optical path modulation means is in a plane formed by one polarization axis and the projection optical axis, and the slow axis or the fast axis Modulating the optical path of incident polarized light by changing the tilt angle with respect to the optical axis of the projection light,
The polarization means is arranged so that a polarization transmission axis thereof is in a plane formed by the slow axis or the fast axis of the optical path modulation means and the projection optical axis or in a plane orthogonal thereto. Image projection device.
請求項7に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、投射光光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の入射偏光に対する実効的な屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるようにしたことを特徴とする画像投射装置。
The image projection apparatus according to claim 7,
The optical path modulation means has an interface inclined with respect to the optical axis of the projection light, and modulates the optical path of the incident polarized light by changing the effective refractive index with respect to the incident polarized light of the material forming the interface. An image projection apparatus characterized by the above.
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