JP4939071B2 - 色分解光学系および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる色分解光学系に関し、特に複数の偏光ビームスプリッタを用いた色分解光学系に関する。

反射型液晶プロジェクタ等の画像投射装置には、光源からの白色光を赤、青、緑の３つの色光に分解し、それぞれの色光を異なる液晶パネルに導く色分解光学系が使用される。また、この色分解光学系は、３つの液晶パネルで画像変調された光を１つに合成するための色合成系として使用される場合が多い。

そして、色分解光学系（色分解合成光学系）には、入射する光の偏光方向に応じた反射および透過作用を有する偏光ビームスプリッタが複数使用されることが多い（特許文献１参照）。偏光ビームスプリッタは、それぞれ光学ガラス等により形成された一対のプリズムの貼り合わせ面に、多層膜からなる偏光分離膜が形成された光学部品である。
特開２００１−１５４２６８号公報（段落００５１〜００５７、図１等）

色分解光学系に使用される複数の偏光ビームスプリッタにおいて、偏光分離膜の特性は偏光ビームスプリッタごとに異なるが、偏光分離膜を支持するプリズムの材質（特性）は互いに同じであることが一般的である。従来は、各偏光ビームスプリッタのプリズムとして、赤、青および緑のすべての色光に対する透過率がきわめて高い高価な材質のものを使用していた。

しかしながら、１つの色光の光路に配置された偏光ビームスプリッタには、他の色光に対する透過率がきわめて高いプリズムを使用する必要はない。にもかかわらず、従来は、すべての色光に対する透過率がきわめて高い材質のプリズムを使用した偏光ビームスプリッタを用いていたため、光学系全体としてコストアップの要因となっていた。また、プリズムにおける光弾性の影響が無視できないような場合には、光弾性の影響を少なくしたプリズムを用いたさらに高価な偏光ビームスプリッタを必要とするため、コストアップがより顕著になる。

さらに、例えばダイクロイックミラーによって緑光と青および赤光とが分解される場合において、ダイクロイックミラーで緑光から分離しきれなかった青光が、比視感度が他に比べて高い緑用の液晶パネルに入射すると、緑用液晶パネルが劣化し易くなる。

本発明は、入射する色光に対して適切な特性を有する偏光ビームスプリッタを使用することにより、光変調素子の劣化を抑えることもできるようにした色分解光学系およびこれを備えた画像投射装置を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての色分解光学系は、光源からの光のうち緑色の光を第１の光変調素子に導く第１の偏光ビームスプリッタと、光源からの光のうち青色および赤色の光をそれぞれ第２の光変調素子および第３光変調素子に導く第２の偏光ビームスプリッタとを有し、前記第１および第２の偏光ビームスプリッタはそれぞれ、光学部材と、該光学部材上に形成された偏光分離膜とを有し、前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材の青の波長帯域に対する透過率が、前記第２の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材の青の波長帯域に対する透過率よりも低いことを特徴とする。

本発明によれば、それぞれ入射する色光に応じて異なる（適切な）特性を有する光学部材を用いた第１および第２の偏光ビームスプリッタを使用することができる。すなわち、入射しない色光に対しては不必要な特性を低下させた偏光ビームスプリッタを含むように色分解光学系を構成することができる。これにより、色分解光学系のコストダウンを図ることができる。しかも、光変調素子に入射させたくない色光に対する透過率を低下させた光学部材を有する偏光ビームスプリッタを使用することで、該光変調素子の劣化を抑えることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である色分解合成光学系を含む液晶プロジェクタの光学系の構成を示す。

該光学系は、光源ランプ１、照明光学系１、色分解合成光学系２０、液晶パネル７〜９および投射レンズ１０により構成される。

光源ランプ１は、高圧水銀ランプ等の発光管とリフレクタとにより構成され、白色光を射出する。

照明光学系２は、光源ランプ１から射出された光を複数の光束に分割した後、液晶パネル７〜９上で重ね合わせる機能や、光源ランプ１から射出された光の偏光方向を所定の偏光方向に揃える機能を有する。

色分解合成光学系２０は、照明光学系２からの白色光が入射するダイクロイックミラー３を有する。ダイクロイックミラー３は、白色光のうち緑（Ｇ：５００〜６００ｎｍ）の光を反射し、青（Ｂ：４４０〜５００ｎｍ）の光および赤（Ｒ：６００〜６５０ｎｍ）の光を透過する特性を有する。

また、色分解合成光学系２０は、Ｇ光路に配置された第１の偏光ビームスプリッタ４と、ＢＲ光路に配置された第２の偏光ビームスプリッタ５とを有する。第１の偏光ビームスプリッタ４の偏光分離膜４ｃは、ダイクロイックミラー３で反射したＧ光を透過して、光変調素子又は画像形成素子としてのＧ用反射型液晶パネル７に導く。

ここで、本実施例のプロジェクタに搭載されている液晶駆動回路３０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置４０が接続されている。液晶駆動回路３０は、画像供給装置４０から入力された画像（映像）情報に基づいて各反射型液晶パネルを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。

Ｇ用反射型液晶パネル７によって反射および画像変調されたＧ光は、第１の偏光ビームスプリッタ４の偏光分離膜４ｃで反射されて、色分解合成光学系２０の構成要素である色合成プリズム（ダイクロイックプリズム）６に入射する。この色合成プリズム６はＧ光を反射しＲＢ光を透過する特性を有する。

一方、ダイクロイックミラー３を透過したＲ，Ｂ光は、色分解合成光学系２０の構成要素である色選択性位相板１２でＢ光のみ偏光方向が９０°回転させられて第２の偏光ビームスプリッタ５に入射する。Ｒ光は、第２偏光ビームスプリッタ５の偏光分離膜５ｃで反射し、不図示の位相板を透過してＲ用反射型液晶パネル８に至る。該反射型液晶パネル８で反射および画像変調されたＲ光は、再び位相板を透過した後、第２の偏光ビームスプリッタ５の偏光分離膜５ｃを透過して、色合成プリズム６に入射する。

また、Ｂ光は、第２の偏光ビームスプリッタ５の偏光分離膜５ｃを透過し、不図示の位相板を透過してＢ用反射型液晶パネル９に至る。該反射型液晶パネル９で反射および画像変調されたＢ光は、再び位相板を透過した後、第２の偏光ビームスプリッタ５の偏光分離膜５ｃで反射し、色合成プリズム６に入射する。

色合成プリズム６に入射したＧ光は、該色合成プリズム６のダイクロイック膜６ｃで反射して投射レンズ１０に向かう。また、色合成プリズム６に入射したＲ，Ｂ光は、該色合成プリズム６のダイクロイック膜６ｃを透過して投射レンズ１０に向かう。

こうして色合成プリズム６により合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光（カラー画像）は、投射レンズ１０によってスクリーン等の被投射面１１に投射される。

ここで、色合成プリズム６は、一部の光に対して偏光分離特性を持っていても構わない。具体的には、Ｇ光とＲ光、Ｇ光とＢ光、Ｇ光、Ｒ光、Ｂ光と言う５種類の色の組み合せのいずれかに対して偏光分離特性を有し、それらの色光（画像光）を検光した上で投射レンズ１０に導くようにしてもよい。

また、偏光ビームスプリッタ５と色合成プリズム６との間に、色選択性位相板（半波長板）を配置し、この色合成プリズム６を偏光ビームスプリッタに置き換えてもよい。ここでの色選択性位相板は、特定の波長の光、ここでは赤色光と青色光のいずれか一方のみの光に対して半波長板（偏光方向を９０度旋回させる）として機能するものである。

次に、本実施例で用いている第１および第２偏光ビームスプリッタ４，５について詳しく説明する。

第１の偏光ビームスプリッタ４は、図３にその分解図を示すように、それぞれ三角柱形状の光学部材である一対のプリズム４ａ，４ｂと、プリズム４ａにおけるプリズム４ｂとの貼り合わせ面上に形成された偏光分離膜４ｃとを有する。プリズム４ａ，４ｂは光学ガラスのうち同一の材料で形成されている。また、偏光分離膜４ｃは、誘電体多層膜によって構成され、Ｐ偏光およびＳ偏光のうち一方を透過し、他方を反射する機能を有する。なお、図１にのみ示す第２の偏光ビームスプリッタ５も同様に、それぞれ三角柱形状の光学部材である一対のプリズム５ａ，５ｂと、プリズム５ａにおけるプリズム５ｂとの貼り合わせ面上に形成された偏光分離膜５ｃとを有する。

但し、本実施例では、第１の偏光ビームスプリッタ４を構成するプリズム４ａ，４ｂと、第２の偏光ビームスプリッタを構成するプリズム５ａ，５ｂとでは、それらの材質が異なる。言い換えれば、それらの特性が互いに異なる。

図２には、第２の偏光ビームスプリッタ５のプリズム５ａ，５ｂの材料である硝材Ａと、第１の偏光ビームスプリッタ４のプリズム４ａ，４ｂの材料である硝材Ｂの透過率特性をに示す。

硝材Ａは、図中に実線で示すように、ＲＧＢの可視光帯域（一般的には、４４０〜６５０ｎｍ）のほぼ全域において９５％以上の高い透過率特性を有する。これに対し、硝材Ｂは、図中に点線で示すように、ＲＧの帯域（５００〜６５０ｎｍ）においては９５％以上の高い透過率特性を有するが、Ｂ光の帯域（４４０〜５００ｎｍ）においては、硝材Ａに比べて低い透過率特性しか持たない。

従来の液晶プロジェクタでは、第１および第２の偏光ビームスプリッタを構成するプリズムには同一の硝材が用いられている。しかも、できるだけ明るい画像を投射するために、硝材ＡのようにＲＧＢの可視光帯域のほぼ全域で高い透過率を有する硝材が用いられている。

これに対し、本実施例では、Ｇ光路上に配置された第１の偏光ビームスプリッタ４とＲＢ光路上に配置された第２の偏光ビームスプリッタ５とで、透過率特性の異なった硝材を用いている。

本実施例において、Ｂ光およびＲ光の２つの色光が透過する第２の偏光ビームスプリッタ５には、従来と同様の理由により、Ｇ光の帯域をも含むＲＧＢの可視光帯域のほぼ全域で高い透過率を有する硝材Ａを用いるのが望ましい。一方、基本的にＧ光のみが透過する第１の偏光ビームスプリッタ４については、Ｇ光の透過率が高ければ足りる。このことから、Ｇ光とこれよりも長波長側のＲ光の透過率が高く、Ｂ光の透過率は低い硝材Ｂを用いればよい。もちろん、第１の偏光ビームスプリッタ４の硝材については、Ｇ光のみ９５％以上の高い透過率を有していれば、光学的に問題はない。

硝材Ａ，Ｂの透過率についてより詳しく説明する。上記説明で述べた透過率は、実際には波長に対する透過率にばらつきがあるため、その波長帯域での平均透過率を意味する。本実施例においては、Ｂ帯域での平均透過率は、硝材Ａで９７．２％であるのに対し、硝材Ｂでは９３．５％と低くなっている。しかし、Ｇ，Ｒ帯域での硝材Ｂの平均透過率は、硝材Ａの９９．３％に対して同等の９８．９％と高くなっている。

Ｂ帯域の波長４４０ｎｍにおける透過率で比較しても同様である。すなわち、硝材Ａでは９５．１％であるのに対して、硝材Ｂでは８７．４％と低い透過率であるが、Ｇ帯域の波長５５０ｎｍにおける透過率では、硝材Ａの９９．５％に対して、硝材Ｂはこれと同等の９９．２％の高い透過率を有する。

このような特性を有する硝材Ｂは、硝材Ａのように広い波長域で高い透過率特性を有する硝材よりも一般的に安価である。

つまり、本実施例のように、透過率特性の異なる硝材をプリズムとして用いた２つの偏光ビームスプリッタ４，５を光路に応じて適切に使い分けることにより、従来と比べて光学性能を低下させることなく、コストダウンを図ることができる。

上述した透過率の関係は、Ｇ光路上の第１の偏光ビームスプリッタ４のＢ帯域（４４０〜５００ｎｍ）での平均透過率をＴＧとし、ＲＢ光路上の第２の偏光ビームスプリッタ５のＢ帯域の平均透過率をＴＲＢとする場合、以下の式（１）で表せる。

ＴＧ＜ＴＲＢ …（１）
また、Ｇ光路上に配置された第１の偏光ビームスプリッタ４におけるプリズムのＢ光に対する透過率が、ＲＢ光路上に配置された第２の偏光ビームスプリッタ５におけるプリズムのＢ光の透過率よりも低いことで、以下のような効果も得られる。

ダイクロイックミラー３は、基本的にＧ光を反射し、Ｂ光とＲ光を透過させるが、実際にはＢ光の一部を反射してＧ光路に導いてしまうことが多く、３つの液晶パネルのうち被視感度が高いＧ用液晶パネル７にＢ光が入射する。この場合、Ｇ用液晶パネル７の配向膜等にダメージ（劣化）が生じる可能性がある。

そこで、本実施例のように、第１の偏光ビームスプリッタ４におけるプリズムのＢ光に対する透過率を低くすることで、Ｇ用液晶パネル７に入射するＢ光の光量を減少させ、Ｇ用液晶パネル７の劣化を抑えることができる。

なお、ダイクロイックプリズムである色合成プリズム６については、ＲＧＢのすべての色光が透過するため、そのプリズムの材料として第２の偏光ビームスプリッタ５と同じ硝材Ａを用いるのが好ましい。

偏光ビームスプリッタのプリズムの材料として用いられる硝材その他の光学材料においては、光弾性によるコントラストや画質の低下が問題となる場合がある。このため、本実施例では、光弾性定数に着目して、第１および第２の偏光ビームスプリッタに用いる硝材を適切に使い分けることで、コストダウンを図っている。

なお、本実施例の第１および第２の偏光ビームスプリッタは、実施例１にて説明した光学系内で第１および第２の偏光ビームスプリッタ４，５として使用される。以下の説明では、本実施例の第１および第２の偏光ビームスプリッタにもそれぞれ、４，５の符号を付す。

従来においては、第１および第２の偏光ビームスプリッタのプリズムの材料には、同一の硝材が用いられており、光弾性を抑えるために、例えば光弾性定数β＝０．０２というように低い光弾性特性を有する硝材が用いられている。一般に、低光弾性の硝材は高価である。

これに対し、本実施例では、Ｇ光路上の第１の偏光ビームスプリッタ４とＲＢ光路上の第２の偏光ビームスプリッタ５のプリズムに、互いに光弾性定数が異なる硝材を用いる。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタ４のプリズムにはＧ光路に最適な光弾性定数を持つ硝材を選択し、第２の偏光ビームスプリッタ５のプリズムには、ＲＢ光路に必要な光弾性定数を持つ硝材を選択する。

エネルギーの大きいＢ光が透過する第２の偏光ビームスプリッタ５のプリズムには、第１の偏光ビームスプリッタ４よりも光弾性が起こり易いため、第１の偏光ビームスプリッタ４のプリズムに用いる硝材よりも光弾性定数が小さい硝材を用いる。

具体的には、第２の偏光ビームスプリッタ５には光弾性定数β＝０．０２の硝材を使用し、第１の偏光ビームスプリッタ４には光弾性定数β＝０．０６の硝材を使用する。

この関係は、Ｇ光路に配置される第１の偏光ビームスプリッタ４の光弾性定数をβＧとし、ＲＢ光路に配置される第２の偏光ビームスプリッタ５の光弾性定数をβＲＢとする場合、以下の式（２）で表せる。

βＧ＞βＲＢ
このように、光弾性定数の異なる硝材をプリズムとして用いた２つの偏光ビームスプリッタ４，５を光路に応じて適切に使い分けることにより、従来と比べて光学性能を低下させることなく、コストダウンを図ることができる。

ダイクロイックプリズムである色合成プリズム６については、そのプリズムの材料としては、第２の偏光ビームスプリッタ５と同じ硝材を用いるのが好ましい。

なお、上記各実施例で説明した各色の波長帯域、透過率、光弾性定数およびこれらと光路の組み合わせは例にすぎず、本発明はこれらに限定されない。例えば、上記各実施例では、Ｇ光路に第１の偏光ビームスプリッタ４を配置し、ＲＢ光路に第２の偏光ビームスプリッタ５を配置した場合について説明したが、Ｇ光路をＲ光路に、ＲＢ光路をＧＢ光路に入れ換えても構わない。

また、各偏光ビームスプリッタのプリズム材料の特性としては、透過率や光弾性定数に限らず、熱特性や重量特性等の他の特性を異ならせてもよい。

さらに、各偏光ビームスプリッタのプリズム材料としては、上記各実施例にて説明したような硝材に限らず、光学プラスチック等、他の材料を使用することもできる。このような場合にも本発明を適用することができる。

本発明の実施例１，２である液晶プロジェクタの光学構成図。 実施例１における偏光ビームスプリッタの硝材の透過率特性を示す図。 実施例１，２における偏光ビームスプリッタの分解斜視図。

符号の説明

１ 光源ランプ
２ 照明光学系
３ ダイクロイックミラー
４，５ 偏光ビームスプリッタ
６ 色合成プリズム
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ プリズム
４ｃ，５ｃ 偏光分離膜
７，８，９ 反射型液晶パネル
１０ 投射レンズ
１１ スクリーン
２０ 色分解合成光学系

Claims (6)

1. 光源からの光のうち緑色の光を第１の光変調素子に導く第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記光源からの光のうち青色および赤色の光をそれぞれ第２の光変調素子および第３の光変調素子に導く第２の偏光ビームスプリッタとを有し、
   前記第１および第２の偏光ビームスプリッタはそれぞれ、光学部材と、該光学部材上に形成された偏光分離膜とを有し、
   前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材の青の波長帯域に対する透過率が、前記第２の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材の青の波長帯域に対する透過率よりも低いことを特徴とする色分解光学系。
2. 前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材の光弾性定数が、前記第２の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材の光弾性定数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の色分解光学系。
3. 前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタから出射した光を合成し、投射レンズに導く色合成素子を有し、
   前記色合成素子は、光学部材と、該光学部材上に形成された偏光分離膜または色分離膜とを有し、
   前記色合成素子における前記光学部材は、前記第２の偏光ビームスプリッタにおける前記光学部材と同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の色分解光学系。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の色分解光学系を含み、前記第１、前記第２、前記第３の光変調素子からの光を被投射面に投射することを特徴とする画像投射光学系。
5. 請求項４に記載の画像投射光学系を用いて被投射面に画像を投射することを特徴とする画像投射装置。
6. 請求項５に記載の画像投射装置と、
   該画像投射装置に画像情報を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。