JP4908684B2 - 投影画像表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影画像表示装置に関し、特に、反射型液晶表示素子等の反射型表示素子に表示された画像をスクリーン上等に拡大投影する投影画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示素子として、小型で高精彩な反射型液晶表示素子が低コストで供給されるようになってきている。これは、LCOSと呼ばれ、シリコン基板に形成されたミラー型の画素電極上に直接ツイストネマチック等の液晶層を配置して入射光の偏光面を画素の表示状態に応じて回転等の変調を行って反射させることにより画像を表示するものである。
【0003】
このような反射型液晶表示素子を用いた反射型画像表示装置の光学系としては、照明光束と画像光束(投影光束)の分離方式により2つのタイプに分けられる。その一つは、照明光束と画像光束を偏光ビームスプリッター(PBS)で分離する光学系である。PBSを用いると光学系を同軸構成にすることはできるが、光学素子数の増加による装置の大型化、高コスト化を招く。
【0004】
もう一つの光学系としては、図4に示すように、照明光束11を反射型液晶表示素子1に対して斜めに入射させ、反射型液晶表示素子1からの画像光束12を斜めに取り出す方式である。すなわち、反射型液晶表示素子1の斜め前方下方には色分離プリズム4と偏光子2が配置され、反射型液晶表示素子1の斜め前方上方には色合成プリズム5と検光子3が配置され、反射型液晶表示素子1、偏光子2、色分離プリズム4が配置される光軸上前方に照明ランプ7が配置され、反射型液晶表示素子1、検光子3、色合成プリズム5が配置される光軸上前方に投影レンズ6が配置され、照明ランプ7から照射される照明光束11は、色分離プリズム4でR(赤色)、G(緑色)、B(青色)の光に分離され、その何れかの光束は偏光子2を通って所定の直線偏光、例えばP偏光にされて反射型液晶表示素子1に斜めに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化した画像光束12が反射型液晶表示素子1から正反射方向に射出し、検光子3を通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束になり、色合成プリズム5で他の色の同様の強度変調像と合成され、その合成カラー像は投影レンズ6により不図示のスクリーン上等に拡大投影表示される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この図4の方式の光学系は、光学素子数が少なくてすむメリットがあるが、偏光子2と検光子3、及び、色分離プリズム4と色合成プリズム5を照明光束11と画像光束12とが完全に分離する位置に配置しなければならないため、装置が大型化するという課題がある。また、投影レンズ6のバックフォーカスB.F.が長くなるため、投影レンズ6の設計、製造の困難度が増し、コストの増大、投影レンズ6の光学性能の劣化を引き起こす。とりわけ、図4の配置では、通常の同軸系の投影レンズに比べて設計・製造難度の高い偏心型投影レンズを使用しなければならないため、そのコスト増大、性能劣化は著しいものとなる。
【0006】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射型液晶表示素子に照明光束を斜めに入射させ画像光束を斜めに取り出す方式の投影画像表示装置において、装置の小型化が可能になると共に、投影レンズの低コスト化、性能向上が可能になり、高い画質を有し、かつ、コストの安いものを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の投影画像表示装置は、反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、
前記反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、前記反射型表示素子への前記照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、前記反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置し、
前記透過体積型回折格子板として、一定厚さの透明媒質中に一定のスラント角で一定のピッチの平面状の多数の回折格子面が形成されてなるものを用い、
前記照明光束中に色分離手段が配置され、前記色分離手段で分けられた色の照明光束中各々に前記反射型表示素子と前記透過体積型回折格子板が配置され、前記各反射型表示素子から斜めに取り出され、前記各透過体積型回折格子板を透過した画像光束を合成する色合成手段が配置されており、合成された画像光束を前記投影光学系により投影することを特徴とするものである。
【0008】
この場合、反射型表示素子は、各画素からの反射光の偏光特性を各画素の表示状態に応じて変える偏光の変調を行う反射型空間変調器からなり、照明光束中であって画像光束と重ならない位置に照明光束の偏光状態を一定にする第1の偏光光学素子を配置し、画像光束中であって照明光束と重ならない位置に画像光束中の特定の偏光状態の光を取り出す第2の偏光光学素子を配置することが望ましい。
【0009】
その場合、反射型表示素子は反射型液晶表示素子からなり、第1の偏光光学素子は偏光子、第2の偏光光学素子は偏光子に対して略クロスニコル配置された検光子からなるようにすることができる。
【0011】
また、各反射型表示素子への各照明光束の入射角が全て同じであり、各透過体積型回折格子板への各照明光束の入射角が全て同じであり、かつ、各反射型表示素子からの各画像光束の取り出し角が全て同じであるように設定することが望ましい。
【0012】
また、反射型表示素子への照明光束の入射角と反射型表示素子からの画像光束の取り出し角が同じに設定することが望ましい。
【0013】
また、透過体積型回折格子板としては透過体積型ホログラムを用いることができる。
【0014】
本発明においては、反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、反射型表示素子への照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置したので、照明光束と画像光束が空間中で分離する位置が反射型表示素子により近くでき、光学素子を小型にでき、また、投影光学系のバックフォーカスを短くできる。これにより、装置の小型化が可能になると共に、投影光学系の低コスト化、性能向上が可能になり、高い画質を有し、かつ、コストの安い反射型投影画像表示装置(プロジェクター)が実現できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の投影画像表示装置を実施例に基づいて説明する。
【0016】
図1に本発明の投影画像表示装置の1実施例の光路を示す断面図(a)と平面図(b)を、図2にその光路を示す斜視図を示す。ただし、図2においては、R、G、B各光路中に配置する偏光子2R、2G、2Bと検光子3R、3G、3Bの図示は省いてある。
【0017】
この投影画像表示装置は、R、G、Bそれぞれの色分解像を表示する3枚の反射型液晶表示素子1R、1G、1Bを備え、それぞれの反射型液晶表示素子1R、1G、1Bは、上下に正四角柱状に整列して配置された色合成プリズム5と色分離プリズム4の3面に面して配置されている。正四角柱状の色分離プリズム4中には、その交差する対角面にそれぞれR光を反射し他の色の光は透過するR反射ミラー面4RとB光を反射し他の色の光は透過するB反射ミラー面4Bとが設けられ、同様に、正四角柱状の合成プリズム5中には、その交差する対角面にそれぞれR光を反射し他の色の光は透過するR反射ミラー面5RとB光を反射し他の色の光は透過するB反射ミラー面5Bとが設けられ、R反射ミラー面4Rと5R、Bと反射ミラー面4Bと5Bは整列している。そして、R反射ミラー面4Rと5Rの反射方向あるいは入射方向に面してR用反射型液晶表示素子1Rが、B反射ミラー面4Bと5Bの反射方向あるいは入射方向に面してB用反射型液晶表示素子1Rが配置され、両者の間の面に面してG色反射型液晶表示素子1Gが配置されている。
【0018】
色分離プリズム4の反射型液晶表示素子1R、1G、1Bが面していない残りの面の斜め下方には、照明ランプ7が配置されており、また、その面の斜め上方には、投影レンズ6が配置されている。また、色分離プリズム4と各反射型液晶表示素子1R、1G、1Bの間にはそれぞれR用偏光子2R、G用偏光子2G、B用偏光子2Bが、色合成プリズム5と各反射型液晶表示素子1R、1G、1Bの間にはそれぞれR用検光子3R、G用検光子3G、B用検光子3Bが配置されている。偏光子2R、2G、2Bや検光子3R、3G、3Bは、例えば不要な偏光成分を吸収するか反射する偏光板によって構成される。なお、投影画像表示装置において、照明ランプ7と色分離プリズム4の間の光路中には、反射型液晶表示素子1R、1G、1Bの位置付近で照明光束11の断面内強度分布が均一になるように照度分布を均一化する均一照明光学系や、光源から射出された光の偏光方向を揃える偏光変換光学系を配置するのが一般的であるが、これらの光学系については公知であるため、本実施例では省略する。
【0019】
そして、本発明により、各色用の偏光子2R、2G、2B及び検光子3R、3G、3B(図では、同じ面に配置されているように図示してあるが、これは必ずしも必要ではない。)と対応する色用の反射型液晶表示素子1R、1G、1Bの間に対応する色用の透過体積型回折格子板10R、10G、10Bが配置されている。本発明においては、この透過体積型回折格子板10R、10G、10Bの作用が非常に重要であるので、図3を参照にして説明する。
【0020】
透過体積型回折格子板10G(10R、10B)は、一定厚さの透明媒質中に一定のスラント角γ(表面の法線に対してなす角度)で一定のピッチδの平面状の多数の回折格子面(空間干渉縞)15が形成されてなるもので、通常、フォトポリマー等の体積型ホログラム感光材料中に可干渉な2つの平面波を同時に入射させて干渉させることによりホログラムとして作製される。このような一定スラント角γで一定ピッチδからなる平面状回折格子面15からなる透過体積型回折格子板10G(10R、10B)は、ブラッグの回折条件を満たす入射角αで入射するG(R、G)の入射光11G(11R、11B)を回折角βで効率良く回折し、逆にその回折角βとは異なる入射角、例えば図示のように、反射型液晶表示素子1G(1R、1B)で正反射されて入射角−βで反対側から入射する光12G(11R、11B)をほとんど回折せずに透過させる回折角選択性が大きい特性を備えている。
【0021】
図1、図2で用いているR、G、B用の透過体積型回折格子板10R、10G、10Bは、同じ入射角αのそれぞれR、G、Bの光に対してβ<αを満たす同じ回折角βで透過側へ回折するように、それぞれの平面状回折格子面15のスラント角γとピッチδが設定されているものであり、それぞれの色の光の反射型液晶表示素子1R、1G、1Bへの入射角をより小さい角度に変換する入射角縮小変換機能を持つものである。
【0022】
以上のような構成であるので、照明ランプ7から照射される照明光束11中のG光11Gは、色分離プリズム4のR反射ミラー面4RとB反射ミラー面4Bを透過して反対側の面から出て、G用偏光子2Gを通って例えばP偏光の直線偏光にされ、G用の透過体積型回折格子板10Gに特定の入射角αで入射し、それより小さい回折角βで透過側へ回折し、同じ入射角βでG用反射型液晶表示素子1Gに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化して画像光束12Gとして正反射され、このG画像光束12Gは今度はG用透過体積型回折格子板10Gを裏面から入射角−βで入射し、そこでほとんど回折されずに透過してG用検光子3Gを通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束に変換され、色合成プリズム5のR反射ミラー面5RとB反射ミラー面5Bを透過して他の色の画像光束12R、12Bと合成される。
【0023】
照明ランプ7から照射される照明光束11中のR光11Rは、色分離プリズム4のR反射ミラー面4Rで反射されて色分離プリズム4の右側面(投影レンズ6側から見て)から出て、R用偏光子2Rを通って例えばP偏光の直線偏光にされ、R用の透過体積型回折格子板10Rに特定の入射角αで入射し、それより小さい回折角βで透過側へ回折し、同じ入射角βでR用反射型液晶表示素子1Rに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化して画像光束12Rとして正反射され、このR画像光束12Rは今度はR用透過体積型回折格子板10Rを裏面から入射角−βで入射し、そこでほとんど回折されずに透過してR用検光子3Rを通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束に変換され、色合成プリズム5のR反射ミラー面5Rで反射されて他の色の画像光束12G、12Bと合成される。
【0024】
同様に、照明ランプ7から照射される照明光束11中のB光11Bは、色分離プリズム4のB反射ミラー面4Bで反射されて色分離プリズム4の左側面(投影レンズ6側から見て)から出て、B用偏光子2Bを通って例えばP偏光の直線偏光にされ、B用の透過体積型回折格子板10Bに特定の入射角αで入射し、それより小さい回折角βで透過側へ回折し、同じ入射角βでB用反射型液晶表示素子1Bに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化して画像光束12Bとして正反射され、このB画像光束12Bは今度はB用透過体積型回折格子板10Bを裏面から入射角−βで入射し、そこでほとんど回折されずに透過してB用検光子3Bを通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束に変換され、色合成プリズム5のB反射ミラー面5Bで反射されて他の色の画像光束12R、12Gと合成される。
【0025】
色合成プリズム5で合成されたR、G、Bの画像光束12R、12Gは、反射型液晶表示素子1R、1G、1Bに表示されたR、G、Bの色分解像を合成したカラー画像を表示する画像光束12となり、その合成カラー像は投影レンズ6により不図示のスクリーン上等に拡大投影表示される。
【0026】
上記のように、R、G、Bの各光路において、反射型液晶表示素子1(1R、1G、1B)の少なくとも照明光束11入射側に入射角縮小変換機能を持ち、反射型液晶表示素子1(1R、1G、1B)からの画像光束12を透過させる透過体積型回折格子板10R、10G、10Bを配置しているので、そのような透過体積型回折格子板10(10R、10G、10B)を配置しない場合に比較して、照明光束11と画像光束12が空間中で分離する位置が反射型液晶表示素子1(1R、1G、1B)により近くできる。そのため、その分色分離プリズム4と色合成プリズム5を小型化できる。また、画像光束12の光軸に対する反射型液晶表示素子1(1R、1G、1B)の偏心角(ティルト角)も可能な限り小さくできる。したがって、投影レンズ6のバックフォーカスB.F.は図4の従来の場合に比較して大幅に短くでき、投影レンズ6の設計、製造が容易になり、低コストで高性能のものが使用できる。
【0027】
ここで、透過体積型回折格子板10R、10G、10Bの具体例を下記の表に
。
【0028】
以上、本発明の投影画像表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されずに種々の変形が可能である。また、反射型表示素子としては、LCOS等の反射型液晶表示素子に限定されず、画素からの反射光の偏光特性を電気光学効果等によりその画素の表示状態に応じて変える偏光の変調を行う反射型空間変調器ならば何れのものにも適用できる。また、1つの反射型表示素子で複数の色の表示を行うものの場合にも適用できる。その場合は、透過体積型回折格子板は、多重記録等により、その複数の色に対応した複数の波長域の光束に対して回折角選択性が大きいものに構成する。さらに、透過体積型回折格子板10R、10G、10Bと検光子3R、3G、3Bの間に、又は、検光子3R、3G、3Bと色合成プリズム5の間に、画像光束12R、12G、12Bを回折させて反射型液晶表示素子1R、1G、1Bの略法線方向に向ける別の透過回折格子板を配置することにより、投影レンズ6のバックフォーカスB.F.をさらに短くするようにすることもできる。
【0029】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の投影画像表示装置によると、反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、反射型表示素子への照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置したので、照明光束と画像光束が空間中で分離する位置が反射型表示素子により近くでき、光学素子を小型にでき、また、投影光学系のバックフォーカスを短くできる。これにより、装置の小型化が可能になると共に、投影光学系の低コスト化、性能向上が可能になり、高い画質を有し、かつ、コストの安い反射型投影画像表示装置(プロジェクター)が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の投影画像表示装置の1実施例の光路を示す断面図と平面図である。
【図2】図1の投影画像表示装置の光路を示す斜視図である。
【図3】図1の投影画像表示装置で用いている透過体積型回折格子板の構成と作用を説明するための図である。
【図4】従来の反射型液晶表示素子を用いた反射型画像表示装置の1つのタイプの光学系の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
1、1R、1G、1B…反射型液晶表示素子
2、2R、2G、2B…偏光子
3、3R、3G、3B…検光子
4…色分離プリズム
4R…R反射ミラー面
4B…B反射ミラー面
5R…R反射ミラー面
5B…B反射ミラー面
5…色合成プリズム
6…投影レンズ
7…照明ランプ
10、10R、10G、10B…透過体積型回折格子板
11、11R、11G、11B…照明光束
12、12R、12G、12B…画像光束
15…回折格子面(空間干渉縞)
Claims (6)
- 反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、
前記反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、前記反射型表示素子への前記照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、前記反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置し、
前記透過体積型回折格子板として、一定厚さの透明媒質中に一定のスラント角で一定のピッチの平面状の多数の回折格子面が形成されてなるものを用い、
前記照明光束中に色分離手段が配置され、前記色分離手段で分けられた色の照明光束中各々に前記反射型表示素子と前記透過体積型回折格子板が配置され、前記各反射型表示素子から斜めに取り出され、前記各透過体積型回折格子板を透過した画像光束を合成する色合成手段が配置されており、合成された画像光束を前記投影光学系により投影することを特徴とする投影画像表示装置。 - 前記反射型表示素子は、各画素からの反射光の偏光特性を各画素の表示状態に応じて変える偏光の変調を行う反射型空間変調器からなり、前記照明光束中であって前記画像光束と重ならない位置に前記照明光束の偏光状態を一定にする第1の偏光光学素子を配置し、前記画像光束中であって前記照明光束と重ならない位置に前記画像光束中の特定の偏光成分の光を取り出す第2の偏光光学素子を配置したことを特徴とする請求項1記載の投影画像表示装置。
- 前記反射型表示素子は反射型液晶表示素子からなり、前記第1の偏光光学素子は偏光子、前記第2の偏光光学素子は偏光子に対して略クロスニコル配置された検光子からなることを特徴とする請求項2記載の投影画像表示装置。
- 前記各反射型表示素子への各照明光束の入射角が全て同じであり、前記各透過体積型回折格子板への各照明光束の入射角が全て同じであり、かつ、前記各反射型表示素子からの各画像光束の取り出し角が全て同じであるように設定されていることを特徴とする請求項1記載の投影画像表示装置。
- 前記反射型表示素子への照明光束の入射角と前記反射型表示素子からの画像光束の取り出し角が同じに設定されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項記載の投影画像表示装置。
- 前記透過体積型回折格子板が透過体積型ホログラムからなることを特徴とする請求項1から5の何れか1項記載の投影画像表示装置。
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