JP5651984B2 - 光学装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、各波長帯域に分離された光をそれぞれ変調し、これらの変調光を合成出力する光学装置および電子機器に関する。

従来、プロジェクター等の投射装置では、入射光を各波長帯域（例えば、ＲＧＢ３色）の光に分離し、分離された光を反射型液晶パネルに入射させることで各光を変調させ、変調された３色の光を、偏光ビームフィルターやダイクロイックミラーを通してスクリーン上で重ね合わせてカラー表示している。

ここで、偏光ビームフィルター、ダイクロイックミラー、および反射型液晶パネルの相対位置がずれてしまうとスクリーン上の投影像において３色の画像光がずれ、カラー表示の画質が悪化してしまう。このような問題を解決するために、これらの３つの画像光が適切に重なるように、ダイクロイックミラー、反射型液晶パネルおよび偏光ビームフィルターの位置を調整して固定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１では、光合成プリズムの光束入射側端面の上下端部に２個の固定プレートを接着剤等でそれぞれ接合し、この固定プレートに偏光ビームフィルターと反射型液晶パネルとを接合することでそれぞれの位置で固定している。

特開２００６−９９０８６号公報

しかしながら、近年のプロジェクターの高精細化および高輝度化に伴い、特許文献１に記載の技術により偏光ビームフィルターと反射型液晶パネルと光合成プリズムとの相対位置を固定したとしても、光合成プリズムと固定プレートとを正負が同じ線膨張係数を有する部材で構成した場合に次のような問題が生じる。すなわち、光合成プリズムと固定プレートとの線膨張係数が例えば正の場合、熱により両者には膨張方向への力が作用してしまい、結果的に両者とも膨張して変形してしまう。このため、光合成プリズムと、固定プレートに固定された偏光ビームフィルターや反射型液晶パネルとの相対位置がずれてしまい、各反射型液晶パネルの重ね合わせ位置がずれる、いわゆるレジストレーションずれが発生して、カラー表示の画質が悪化するおそれがある。

本発明の目的は、熱の影響を受けずに高画質なカラー表示が可能なプロジェクターを提供することである。

本発明の光学装置は、複数の色光を色光毎に画像情報に応じて変調する複数の光変調素子と、この複数の光変調素子にて変調された光束がそれぞれ入射する複数の光束入射側端面を有し、入射した各光束を合成して画像光を形成する色合成光学素子と、前記複数の光変調素子を前記色合成光学素子の前記複数の光束入射側端面に対してそれぞれ固定する複数の固定部材と、を備え、前記色合成光学素子および前記固定部材の線膨張係数は、互いに正負が異なることを特徴とする。

この発明では、熱により、色合成光学素子および固定部材のうちの一方に膨張方向への力が作用し、他方に収縮方向への力が作用するので、結果的に色合成光学素子と固定部材の変形を抑制できる。従って、色合成光学素子と、固定部材に固定された光変調素子との相対的な位置ずれも抑制できるため、各光変調素子の重ね合わせ位置がずれることがなく、高画質なカラー表示を提供することができる。

本発明の光学装置において、前記光変調素子は、反射型光変調素子であり、複数の前記反射型光変調素子に照射される光束および前記反射型光変調素子で変調された光束を偏光分離する複数の偏光分離素子をさらに備え、前記色合成光学素子の光束入射側端面には、前記複数の反射型光変調素子にて変調され前記複数の偏光分離素子にて偏光分離された光束がそれぞれ入射し、前記固定部材は、透光性の部材で形成され、前記色合成光学素子の光束入射側端面における光束入射領域に接合される第１面と、前記反射型光変調素子の光入射出側端面における画像形成領域に接合される第２面と、前記偏光分離素子における偏光分離領域に接合される第３面とを有することが好ましい。

ここで、光束入射領域とは、色合成光学素子の光束入射側端面のうち、偏光分離素子で偏光分離された光束が入射される領域を意味する。また、画像形成領域とは、反射型光変調素子の光入射出側端面のうち、各色光を変調して画像を形成する領域を意味する。さらに、偏光分離領域とは、偏光分離素子において光束を偏光分離する領域を意味する。
３色の光束が集まる色合成光学素子の中心部では、発熱量が大きいが、周辺部では発熱量が小さいため、中心部と周辺部との間に温度差が生じる。そのため、色合成光学素子には熱応力が生じる。また、固定部材の第１面、第２面、および第３面でも光束の一部を吸収して発熱し、色合成光学素子と同様に熱応力が生じる。
しかしながら、上述したように、発熱しても、色合成光学素子および固定部材のうちの一方に膨張方向への力が作用し、他方に収縮方向への力が作用するので、色合成光学素子と、固定部材に固定された反射型光変調素子や偏光分離素子との相対的な位置ずれも抑制できる。

本発明の光学装置において、前記色合成光学素子および前記固定部材は、複屈折の進相軸が互いに直交することが好ましい。
ここで、上述したように、熱により、色合成光学素子および固定部材のうちの一方に膨張方向への力が作用し、他方に収縮方向への力が作用するので、色合成光学素子および固定部材には、複屈折性が発生する。このため、これら各部材は、互いに直交する進相軸と遅延軸とを有することになる。そして、光束における進相軸に平行な成分は伝搬速度が速く、光束における遅相軸に平行な成分は伝搬速度が遅くなるため、位相がずれ、レタデーションが生じる。
本発明では、色合成光学素子および固定部材は、複屈折の進相軸が互いに直交するため、固定部材の進相軸と色合成光学素子の遅相軸とが平行となり、固定部材の遅相軸と色合成光学素子の進相軸も互いに平行となる。そのため、光束が固定部材、色合成光学素子の順序で通過する際、固定部材の遅相軸と平行な成分は、固定部材内では伝搬速度が遅くなるが、色合成光学素子内では進相軸と平行になるため伝搬速度が速くなる。同様に、固定部材の進相軸と平行な成分は、固定部材内では伝搬速度が速くなるが、色合成光学素子内では遅相軸と平行になるため伝搬速度が遅くなる。つまり、固定部材を通るときの光束の所定成分の位相のずれは、色合成光学素子を通るときの位相のずれと逆になる。従って、光束が固定部材、色合成光学素子の順序で通過する前後での位相のずれを少なくでき、色むらの発生を抑制できる。

本発明の光学装置において、前記色合成光学素子の線膨張係数は、０．３０×１０^−６／Ｋ以上０．６０×１０^−６／Ｋ以下であり、前記固定部材の線膨張係数は、−０．８５×１０^−６／Ｋ以上−０．１０×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましい。
この発明では、色合成光学素子及び固定部材の線膨張係数が非常に小さい特定の範囲であるため、上述した相対的な位置ずれや、光束の位相のずれを良好に低減することができる。

本発明の電子機器は、上述の光学装置を備えることを特徴とする。
この発明によれば、電子機器は上述した本発明の光学装置を備えているため、高画質なカラー表示を行うことができる。
このような電子機器としては、例えば、液晶プロジェクター等の反射型表示装置、透過型表示装置等が挙げられる。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクターの構成を示す図。 第１実施形態における光学装置の分解斜視図。 本発明の第２実施形態における光学装置の分解斜視図。 第２実施形態における固定部材の複屈折の進相軸の方向を示す図。 第２実施形態におけるクロスダイクロイックプリズムの複屈折の進相軸の方向を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
〔プロジェクターの構成〕
図１は、プロジェクター１の概略構成を模式的に示す図である。
プロジェクター１は、光源から射出される光束を画像情報に応じて変調してカラー画像（画像光）を形成し、このカラー画像をスクリーン（図示略）上に拡大投射する。このプロジェクター１は、図１に示すように、略直方体状で図示しない天面および底面２１を有する外装筐体２と、底面２１上に配置された投射レンズ３および光学ユニット４等を備える。なお、図１では、照射光軸を一点鎖線で示している。

投射レンズ３は、複数のレンズを組み合わせた組レンズとして構成され、光学ユニット４にて形成されたカラー画像をスクリーン上に拡大投射する。
光学ユニット４は、外装筐体２内の制御装置による制御の下、光源から射出された光束を光学的に処理して画像信号に対応したカラー画像を形成するユニットである。この光学ユニット４は、光源装置４１と、照明光学装置４２と、色分離光学装置４３と、光学装置４４等を備える。
光源装置４１は、光源ランプ４１１、リフレクター４１２、ＵＶ−ＩＲフィルター４１３等を備える。光源ランプ４１１から射出された光束は、リフレクター４１２によって射出方向が揃えられ、ＵＶ−ＩＲフィルター４１３を介して照明光学装置４２に向けて射出される。

照明光学装置４２は、第１レンズアレイ４２１、第２レンズアレイ４２２、偏光変換素子４２３、および重畳レンズ４２４を備える。そして、光源装置４１から射出された光束は、第１レンズアレイ４２１によって複数の部分光束に分割され、第２レンズアレイ４２２の近傍で結像する。第２レンズアレイ４２２から射出された各部分光束は、その中心軸（主光線）が偏光変換素子４２３の入射面に垂直となるように入射し、偏光変換素子４２３にて略１種類の直線偏光光として射出される。偏光変換素子４２３から直線偏光光として射出され、重畳レンズ４２４を介した複数の部分光束は、光学装置４４の後述する反射型電気光学装置５０の反射型液晶パネル上で重畳する。

色分離光学装置４３は、青色光を反射するＢ光反射ダイクロイックミラー４３２および緑色光、赤色光を反射するＧＲ光反射ダイクロイックミラー４３３がＸ字状に配置されたクロスダイクロイックミラー４３１、緑色光を反射するＧ光反射ダイクロイックミラー４３４、および２枚の反射ミラー４３５，４３６を備える。そして、色分離光学装置４３は、照明光学装置４２から射出された複数の部分光束を赤、緑、青の３色の色光に分離する。この分離された青色光、緑色光、赤色光は、光学装置４４を構成する後述する偏光分離素子４４１Ｂ，４４１Ｇ，４４１Ｒに入射する。

光学装置４４は、入射した光束を画像情報に応じて変調して画像光（カラー画像）を形成するものである。この光学装置４４は、３つの偏光分離素子４４１（赤色光側の偏光分離素子を４４１Ｒ、緑色光側の偏光分離素子を４４１Ｇ、青色光側の偏光分離素子を４４１Ｂとする）と、３つの反射型光変調素子としての反射型電気光学装置５０（偏光分離素子４４１と同様に、各色光側の反射型電気光学装置を５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂとする）と、色合成光学素子としてのクロスダイクロイックプリズム４４３と、これら各部材４４１、５０、４４３を一体化する６個の固定部材７０とを備える。なお、固定部材７０の詳細な構成については、後述する。

３つの偏光分離素子４４１は、入射光束の光軸に対して略４５°傾斜した状態で配置され、入射した光束を偏光分離する。そして、各偏光分離素子４４１は、入射した光束のうち、偏光変換素子４２３で揃えられた偏光方向と略同一の偏光方向を有する偏光光を透過させ、前記偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光光を反射させ、入射した光束を偏光分離する。

３つの反射型電気光学装置５０は、図２に示すように、シリコン基板上に液晶が形成されたいわゆるＬＣＯＳ(Liquid Crystal On Silicon)で構成されている図示しない反射型液晶パネルと、この反射型液晶パネルの熱を放熱する図示しない放熱部材とを備える。そして、各反射型電気光学装置５０は、各偏光分離素子４４１を透過した光束の光軸に対して反射型液晶パネルが略直交した状態でそれぞれ配置される。
反射型液晶パネルは、前記制御装置からの駆動信号に応じて、液晶の配向状態が制御され、偏光分離素子４４１を透過した偏光光束の偏光方向を変調し、偏光分離素子４４１に向けて反射する。反射型液晶パネルにて変調され、偏光分離素子４４１に向けて反射された光束は、偏光変換素子４２３で揃えられた偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光光のみが偏光分離素子４４１にて反射されてクロスダイクロイックプリズム４４３に向う。

クロスダイクロイックプリズム４４３は、各偏光分離素子４４１にて反射された各色光がそれぞれ入射される各光束入射側端面４４４（偏光分離素子４４１と同様に、各色光側の光束入射側端面を４４４Ｒ，４４４Ｇ，４４４Ｂとする）を有し、入射した各色光を合成してカラー画像を形成する。
このクロスダイクロイックプリズム４４３は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、２つの誘電体多層膜が形成されている。これら誘電体多層膜は、偏光分離素子４４１Ｇにて反射された緑色光を透過し、各偏光分離素子４４１Ｒ，４４１Ｂにて反射された赤、青色光をそれぞれ反射する。このようにして、各色光が合成されてカラー画像が形成される。そして、クロスダイクロイックプリズム４４３で形成されたカラー画像は、上述した投射レンズ３によりスクリーンへ拡大投射される。

〔固定部材の詳細な構成〕
図２は、光学装置４４の分解斜視図である。
固定部材７０は、図２に示すように、三角板状の透光性あるいは非透光性の部材であり、略長方形状の第１面７１、第２面７２、および第３面７３によって形成され、第１面７１と第２面７２とが直交するとともに、第３面７３は第１面７１と第２面７２に対して４５°傾斜している。これにより、第１面７１、第２面７２、および第３面７３に直交する端面７４は平面視略直角二等辺三角形に形成されている。

固定部材７０の第１面７１は、クロスダイクロイックプリズム４４３の光束入射側端面４４４における、光束入射領域４４４Ａと重ならない位置に接合される。また、第２面７２は、反射型電気光学装置５０の画像形成領域５１Ａと重ならない位置に接合される。さらに、第３面７３は、偏光分離素子４４１の偏光分離領域４４１Ａと重ならない位置に接合される。つまり、固定部材７０は、各部材４４３，５０，４４１における画像光の形成に寄与しない領域に接着剤等により接合される。なお、各領域４４４Ａ，５１Ａ，４４１Ａと重ならない位置とは、図２に示すように、これらの上側または下側の位置である。

また、クロスダイクロイックプリズム４４３は、線膨張係数が正の材料で形成され、固定部材７０は、線膨張係数が負の材料で形成されている。
正の線膨張係数としては、０．３０×１０^−６／Ｋ以上０．６０×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましく、このような特性を有する材料としては、石英（０．５５×１０^−６／Ｋ）が例示できる。また、負の線膨張係数としては、−０．８５×１０^−６／Ｋ以上−０．１０×１０^−６／Ｋ以下であることが好ましく、このような特性を有する材料としては、例えば、日本電気硝子社のネオセラム（登録商標）Ｎ−０（−０．６×１０^−６／Ｋ）が例示できる。

〔本実施形態の作用効果〕
上述した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
光学装置４４は、偏光分離素子４４１Ｂと反射型電気光学装置５０Ｂとをクロスダイクロイックプリズム４４３に固定する固定部材７０を備えている。そして、クロスダイクロイックプリズム４４３を線膨張係数が正の材料で形成し、固定部材７０を線膨張係数が負の材料で形成している。
そのため、クロスダイクロイックプリズム４４３と固定部材７０に熱が加わった場合、クロスダイクロイックプリズム４４３に膨張方向の力が作用し、固定部材７０に収縮方向の力が作用するので、結果としてクロスダイクロイックプリズム４４３と固定部材７０の変形を抑制できる。従って、クロスダイクロイックプリズム４４３と、固定部材７０に固定された偏光分離素子４４１Ｂや反射型電気光学装置５０との相対的な位置ずれも抑制でき、高画質なカラー表示を提供することができる。

さらに、クロスダイクロイックプリズム４４３および固定部材７０の線膨張係数は、上述した特定の範囲である。
このように、クロスダイクロイックプリズム４４３および固定部材７０の線膨張係数が非常に小さい範囲であるため、上述した相対的な位置ずれを抑制できる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態の光学装置４５の分解斜視図である。図４は、固定部材８０の複屈折の主軸の方向を示す図である。図５は、クロスダイクロイックプリズム４４３の複屈折の主軸の方向を示す図である。
第２実施形態では、第１実施形態で用いた光学装置４４の代わりに図３に示す光学装置４５を用いる。図３において、第１実施形態で用いた６個の固定部材７０の代わりに、３個の固定部材８０を用いたこと以外は、上述の実施形態の光学装置４４と同様の構成であるため、同様の構成については説明を省略する。

固定部材８０は、固定部材７０よりも厚さ寸法が大きい三角柱状の透光性の部材であり、第１面８１と、第２面８２と、第３面８３と、端面８４とを備えている。
第１面８１は、クロスダイクロイックプリズム４４３の光束入射領域４４４Ａに接合され、第２面８２は、反射型電気光学装置５０Ｂの光入射出側端面における画像形成領域５１Ａに接合され、第３面８３は、偏光分離素子４４１Ｂの偏光分離領域４４１Ａに接合される。つまり、固定部材８０は、第１実施形態とは異なり、各部材４４３，５０，４４１における画像光の形成に寄与する領域４４４Ａ，５１Ａ，４４１Ａに接着剤等により接合される。

また、固定部材８０は、負の線膨張係数を有するネオセラムにより形成されており、第１面８１では、図４に示すように複屈折の進相軸の方向が同心円の接線方向となっている。一方、クロスダイクロイックプリズム４４３は、正の線膨張係数を有する石英により形成されており、光束入射側端面４４４Ｂでは、図５に示すように、複屈折の進相軸の方向が同心円の径方向（放射状）となっている。

このように、進相軸の方向が互いに直交するクロスダイクロイックプリズム４４３と固定部材８０を用いることにより、クロスダイクロイックプリズム４４３や固定部材８０に温度差による熱応力が生じた場合、上述したように、クロスダイクロイックプリズム４４３を通るときの光束の位相のずれは、固定部材８０を通るときの光束の位相のずれと逆になる。従って、光束が固定部材８０とクロスダイクロイックプリズム４４３とを通過する前後での位相のずれが少なくなる。

〔第２実施形態の作用効果〕
このような光学装置４５によれば、第１実施形態と同様の作用効果のほかにも以下の作用効果を奏することができる。

クロスダイクロイックプリズム４４３と固定部材８０との複屈折の進相軸を互いに直交させているため、光束がこれらを通過したときの位相のずれをなくすことができ、色むらの発生を抑制できる。

［変形例］
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、固定部材７０，８０が正の線膨張係数を有し、クロスダイクロイックプリズム４４３が負の線膨張係数を有していてもよい。
また、正の線膨張係数を有する部材としては、例えば、ソーダガラス（８．１×１０^−６／Ｋ以上９．２×１０^−６／Ｋ以下）、ホウ珪酸ガラス（３．２×１０^−６／Ｋ以上６．５×１０^−６／Ｋ以下）、クラウンガラス（９×１０^−６／Ｋ）、コーニング社製の７９１３ ９５％ケイ酸ガラス（０．７５×１０^−６／Ｋ）、コーニング社製の７９７１ チタンケイ酸ガラス（０．０３×１０^−６／Ｋ）等が挙げられる。
また、光源装置４１を１つのみ用い色分離光学装置４３にて３つの色光に分離していたが、色分離光学装置４３を省略し、３つの色光をそれぞれ射出する３つの固体発光素子を光源装置として構成してもよい。上記固体発光素子としては、レーザーダイオード、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子、シリコン発光素子が例示できる。
さらに、上述の実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行うフロントタイプのプロジェクターを例示したが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行うリアタイプのプロジェクターにも適用可能である。
また、反射型のプロジェクターを例示したが、透過型のプロジェクターでもよい。

１…プロジェクター（電子機器）、３…投射レンズ、４１…光源装置、４４…光学装置、４４１…偏光分離素子、４４１Ａ…偏光分離領域、４４３…クロスダイクロイックプリズム（色合成光学素子）、４４４…光束入射側端面、４４４Ａ…光束入射領域、５０…反射型電気光学装置（反射型光変調素子）、５１Ａ…画像形成領域、７０…固定部材、８１…第１面、８２…第２面、８３…第３面。

Claims (5)

1. 複数の色光を色光毎に画像情報に応じて変調する複数の反射型光変調素子と、
   複数の前記反射型光変調素子に照射される光束および前記反射型光変調素子で変調された光束を偏光分離する複数の偏光分離素子と、
   前記複数の反射型光変調素子にて変調され前記複数の偏光分離素子にて偏光分離された光束がそれぞれ入射し、
   前記複数の反射型光変調素子にて変調され前記複数の偏光分離素子にて偏光分離された光束がそれぞれ入射する複数の光束入射側端面を有し、入射した各光束を合成して画像光を形成する色合成光学素子と、
   前記複数の反射型光変調素子と前記複数の偏光分離素子を前記色合成光学素子の前記複数の光束入射側端面に対してそれぞれ固定する複数の固定部材と、を備え、
   前記固定部材は、前記色合成光学素子の光束入射側端面に接合される第１面と、前記反射型光変調素子の光入射出側端面に接合される第２面と、前記偏光分離素子に接合される第３面とを有し、
   前記色合成光学素子および前記固定部材の線膨張係数は、互いに正負が異なる
   ことを特徴とする光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置において、
   前記固定部材は、透光性の部材で形成される
   ことを特徴とする光学装置。
3. 請求項２に記載の光学装置において、
   前記色合成光学素子および前記固定部材は、複屈折の進相軸が互いに直交する
   ことを特徴とする光学装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の光学装置において、
   前記色合成光学素子の線膨張係数は、０．３０×１０^−６／Ｋ以上０．６０×１０^−６／Ｋ以下であり、
   前記固定部材の線膨張係数は、−０．８５×１０^−６／Ｋ以上−０．１０×１０^−６／Ｋ以下である
   ことを特徴とする光学装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の光学装置を備えることを特徴とする電子機器。

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