JP6124653B2 - 照明光学系および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系及びそれを有する投射型表示装置に関する。

特許文献１は、その図１と図８において、インテグレータの後段近傍に配置されている折り曲げミラーを可動にすることによって画像変調素子に対する照明範囲を移動可能に構成した投射型表示装置を開示している。また、特許文献１は、集光レンズ系の一方のレンズ群（例えば、コンデンサーレンズ４）を折り曲げミラーの近傍に設け、他方のレンズ群（例えば、フィールドレンズ１６）を画像変調素子（例えば、第２液晶パネル８）の近くに配置している。そして、色分離光学素子（第１ダイクロイックミラー５、第２ダイクロイックミラー６）を集光レンズ系の２つのレンズ群の間に配置している。

特開平１１−１０１９６５号公報

特許文献１のような構成は全長を短くすることができるという特長があるが、図１に示す構成では、折り曲げミラーはインテグレータから拡大光束を受光するために大型になるという問題がある。また、特許文献１の図８に示す構成では、画像変調素子の照明範囲を調整する際にミラーの移動量を大きくせねばならず、調整時間がかかる、調整機構が大型になる、色ムラが発生し易い、などの問題がある。

本発明は、画像変調素子の照明範囲を調整するミラーを小型にすることができ、照明範囲の移動敏感度が高い照明光学系および投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の照明光学系は、光源からの光によって画像変調素子を照明する照明光学系あって、正のパワーを有する２つのレンズ群を有し、前記光源からの光束を前記画像変調素子に集光する集光レンズ系と、前記２つのレンズ群の間に配置され、前記画像変調素子に対する照明範囲を調整するミラーと、前記ミラーを回転駆動する駆動手段と、を有し、前記集光レンズ系の焦点距離をＦ、前記集光レンズ系の最も前記画像変調素子に近い面から前記画像変調素子までの光軸上の距離をＢｋとした時、以下の条件式が満足されることを特徴とする。

０．８≦Ｂｋ／Ｆ

本発明によれば、画像変調素子の照明範囲を調整するミラーを小型にすることができ、照明範囲の移動敏感度が高い照明光学系および投射型表示装置を提供することができる。

本発明の投射型表示装置の断面図である。（実施例１） 図１に示すミラーの傾きに対する照明範囲の移動を示す図である。（実施例１） 図１に示す２つのコンデンサーレンズと像面の関係を示す図である。（実施例１） 本発明の投射型表示装置の断面図である。（実施例２） 図４に示す合成プリズムの特性を示す図である。（実施例２） 特許文献１の構成を説明するための図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１の投射型表示装置（画像表示装置）の一例である液晶プロジェクタの光路図である。投射型表示装置は、光源部と、照明光学系と、反射型画像変調素子（画像変調素子）１２、投射レンズ（投射光学系）１３を有する。

光源部は、光源１と放物面リフレクタ２からなり、光源（ランプの発光部）１から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ２によって略平行光となって射出される。本実施例の光源１は超高圧水銀ランプであるが、それに限られず、ＬＥＤやレーザー光源を用いてもよい。

照明光学系は、光源部からの光で反射型画像変調素子１２を照明し、第１のレンズアレイ３、第２のレンズアレイ４、偏光変換素子５、第１のコンデンサーレンズ６、ミラー７、第２のコンデンサーレンズ８などを有する。必要があれば、照明光学系は、（例えば、光源部と第１のレンズアレイ３の間に）ＵＶ−ＩＲ（紫外光・赤外光）カットフィルタを有してもよい。

放物面リフレクタ２からの平行光束は、第１のレンズアレイ３によって複数の部分光束に分割され、その各々の部分光束が集光される。各分割光束は第２のレンズアレイ４の近傍に集光され、各部分光束がそれぞれ光源像（２次光源像）を形成する。第２のレンズアレイ４を射出した分割光束は、偏光変換素子５で紙面垂直方向の偏光方向に揃えられる。

偏光変換素子５を射出した光は、正のパワーを有する第１のコンデンサーレンズ６および第２のコンデンサーレンズ８によって集光され、反射型液晶表示素子１２を重畳的に照明する。第１のレンズアレイ３と第２のレンズアレイ４は、光源部からの光を均一にするインテグレータであるが、図１では一次元的なレンズアレイが形成されているが、二次元インテグレータなど構成は図１に示すものに限定されない。

第１のコンデンサーレンズ（第１のレンズ群）６と第２のコンデンサーレンズ（第２のレンズ群）８は集光レンズ系を構成する。第１のコンデンサーレンズ６と第２のコンデンサーレンズ８は正のパワーを有する２つのレンズ群であり、各レンズ群は一または複数のレンズから構成されている。第１のコンデンサーレンズ６は凸面をミラー７側に向けた平凸レンズであり、第２のコンデンサーレンズ８は両凸レンズであるが、正のパワーを有する２つのレンズ群である限り、これらには限定されない。

ミラー７は、集光レンズ系の２つのレンズ群の間に配置され、反射型液晶表示素子１２に対する照明範囲を調整する。ミラー７は全反射ミラーであり、第１のコンデンサーレンズ６からの入射光束をほぼ９０度折り曲げて第２のコンデンサーレンズ８に案内する。また、ミラー７は駆動手段７ａによって回転駆動される。駆動手段７ａの構成は特に限定されない。

集光の途中で偏光板９、偏光ビームスプリッタ１０、１/４波長板を介し、反射型液晶表示素子１２を重畳的に照明する。

特許文献１の図１の構成では、本実施例のように第１のコンデンサーレンズ６が設けられておらず、第２のフライアイレンズから出射する光束が広がる位置にミラーが配置されており、ミラーは大型になる。一方、本実施例では、ミラー７は正のパワーを有する第１のコンデンサーレンズ６の後に配置されて集光光束を受光するため、特許文献１よりもミラー７を小型にすることができる。

また、図６は、特許文献１の図８のコンデンサーレンズ〜フィールドレンズの概略構成図である。図６においては、ミラーはコンデンサーレンズからフィールドレンズ間の距離の１/５〜１/４程度の位置に配置されなければならず、ミラーを傾けた際の敏感度が、特許文献１の図１に示す構成に対して小さくなる。ミラーを１°傾けた際の表示素子上での照明範囲の移動量は、レンズの合成焦点距離をＦとすると、特許文献１の図１の構成ではＦ・ｔａｎ（２°）、特許文献１の図８の構成では（０．７５〜０．８）・Ｆ・ｔａｎ（２°）となる。

図２（ａ）と図２（ｂ）は、ミラー７の傾きに対する反射型液晶表示素子１２の照明範囲の移動を示す図１の部分拡大図である。図２（ａ）では、駆動手段７ａは、第１のコンデンサーレンズ６と第２のコンデンサーレンズ８のそれぞれの光軸を含む平面（紙面）に垂直な軸の周りにミラー７を、矢印に示すように、回転駆動する。ミラー７は、反射型液晶表示素子１２の照明範囲を矢印の方向に移動させる。図２（ｂ）では、駆動手段７ａは、第１のコンデンサーレンズ６と第２のコンデンサーレンズ８のそれぞれの光軸を含む平面（紙面）に平行で、かつ、ミラー７の反射面に平行な軸の周りにミラー７を、矢印に示すように、回転駆動する。ミラー７は、反射型液晶表示素子１２の照明範囲を矢印の方向に移動させる。

また、第１のコンデンサーレンズ６と第２のコンデンサーレンズ８の合成焦点距離をＦ、第２のコンデンサーレンズ８の最も表示素子に近い面から反射型液晶表示素子１２までの光軸上の距離をＢｋとした時、次式が満足されるように構成されている。

０．８≦Ｂｋ／Ｆ （１）
図３は、第１のコンデンサーレンズ６〜像面までの概略構成図である。図３において、第１のコンデンサーレンズ６は焦点距離ｆ１、第２のコンデンサーレンズ８は焦点距離ｆ２を有する。丸印はミラー７による光路折り曲げ位置を示している。ミラー７を１°傾けた際の照明範囲（像面上）の移動量は、
(d/2)×tan(2°)+Bk×(tan(2°-arctan((d/2×tan(2°)/f2)
で表わされる。なお、ミラー７の傾きは図２と図３のいずれの傾きであってもよい。これを展開すると、
(d/2)×tan(2°)+Bk×(tan(2°)-(d/2×tan(2°)/f2))/(1+(d/2f2)×(tan2°)^2)
で表わされる。第２項の分母において、(tan2°)^2≪1であるため、
(d/2)×tan(2°)+Bk×(tan(2°)-(d/2×tan(2°)/f2))=tan(2°)×(Bk+(d/2)×(1-Bk/f2))
のようになる。Ｂｋ＜ｆ２であるため、特許文献１の図８の構成に対し、照明範囲の移動敏感度を高めるためには、少なくとも０．８≦Ｂｋ／Ｆであればよい。参考例として、合成焦点距離Ｆを８０ｍｍ、第２群のレンズの焦点距離ｆ２を１００ｍｍとした場合の移動敏感度を表１に示す。Ａはミラーが1°傾いた時の照明範囲の移動量、Ｂは合成焦点距離８０ｍｍの条件下における最大の移動量、Ａ／Ｂは最大の移動量Ｆ・ｔａｎ（２°）に対する敏感度の減少量である。特許文献１の図８の構成では、特許文献１の図１（移動量Ｆ・ｔａｎ（２°））に対して、Ａ／Ｂの値が０．７５〜０．８の敏感度になってしまうが、本実施例のように、０．８≦Ｂｋ／Ｆ＜１の条件式を満足する構成をとれば、それを上回ることがわかる。また、０．８５≦Ｂｋ／Ｆ＜１の条件式が更に満足されることが好ましい。

表１において、Ｂｋ／Ｆが０．８０未満の構成は本実施例では採用されない。Ｂｋ／Ｆの値は、第１のコンデンサーレンズ６と第２のコンデンサーレンズ８のそれぞれのパワー（屈折率）とＢｋを調整することによって調整される。

図４に実施例２の投射型表示装置の光路図を示す。投射型表示装置は、光源部と、照明光学系と、反射型画像表示素子３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ、投射レンズ（投射光学系）３６を有する。

光源部は、光源１に対応する光源２１と放物面リフレクタ２に対応する放物面リフレクタ２２からなる。光源（ランプの発光部）２１から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ２２によって略平行光となって射出される。

照明光学系は、画像変調素子を照明し、第１のレンズアレイ２３、第２のレンズアレイ２４、偏光変換素子２５、第１のコンデンサーレンズ２６、ミラー２７、第２のコンデンサーレンズ２８、色分離を行う光学素子などを有する。これらの光学素子２３〜２８は、実施例１の光学素子３〜８に対応し、同様の作用効果を有する。ミラー２７は駆動手段２７ａによって回転駆動され、ミラー２７の傾きと表示素子の照明範囲の移動は実施例１と同じである。

ミラー２７は正のパワーを有する第１のコンデンサーレンズ２６の後に配置されて集光光束を受光するため、特許文献１よりもミラー２７を小型にすることができる。また、第１のコンデンサーレンズ２６と第２のコンデンサーレンズ２８の合成焦点距離をＦ、第２のコンデンサーレンズ２８の最も表示素子に近い面から表示素子までの距離をＢｋとすると、０．８≦Ｂｋ／Ｆを満足するため、実施例１と同様な効果が得られる。

本実施例では、集光レンズ系と表示素子との間に色分離光学素子を配置して色ムラを低減している。具体的には、第２のコンデンサーレンズ２８を出射した光は、緑色光（Ｇの色光）を反射し、赤色光（Ｒの色光）、青色光（Ｂの色光）を透過するダイクロイックミラー２９に入射する。ダイクロイックミラー２９は色分離光学素子である。

ダイクロイックミラー２９を反射したＧの色光は、偏光板３０を透過し、第１の偏光ビームスプリッタ３１に入射して偏光分離面でＳ偏光の光が反射し、Ｇ用の反射型液晶表示素子（液晶パネル）３３Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子３３Ｇにおいては、Ｇの色光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離面を反射し、光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３１の偏光分離面で透過し、１/２波長板３４で偏光方向がＳ偏光に変換され、合成プリズム３５に向かう。

合成プリズム３５は、Ｇの色光（第１波長領域の光）を、Ｒの色光（第２波長領域の光）およびＢの色光（第３波長領域の光）と合成し、合成手段として機能する。合成プリズム３５は、図５に示す偏光分離特性も有する光学面を有し、Ｂ、Ｇの色光に対してはダイクロイックミラー、Ｒの色光に対してはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッタの特性を有する。

図５は、合成プリズム３５に入射する光の波長（ｎｍ）（横軸）と透過率（％）（縦軸）の関係を示すグラフである。合成プリズム３５は、Ｇの色光に対しては、そのＰ偏光とＳ偏光の両方を反射して投射レンズ３６に導く。また、合成プリズム３５は、Ｒの色光に対しては、そのＰ偏光を透過して投射レンズ３６に導くが、Ｓ偏光は反射する。即ち、合成プリズム３５は、Ｒの色光に対してはＰ偏光とＳ偏光の一方を投射レンズ３６に導く。更に、合成プリズム３５は、Ｂの色光に対しては、そのＰ偏光とＳ偏光の両方を透過して投射レンズ３６に導く。

すべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッタ３１とＧ用の反射型液晶表示素子３３Ｇとの間に設けられた１／４波長板３２Ｇの遅相軸を所定の方向に調整する。これにより、第１の偏光ビームスプリッタ３１とＧ用の反射型液晶表示素子３３Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。第１の偏光ビームスプリッタ３１から出射したＧの色光は、合成プリズム３５で反射して投射レンズ３６へと至る。

一方、ダイクロイックミラー２９を透過したＲとＢの色光は、Ｓ偏光光を透過する偏光板４１に入射し、次いで、色選択性位相差板４２に入射する。色選択性位相差板４２は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を有し、これにより、Ｒの色光はＰ偏光として、Ｂの色光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ４３に入射する。Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ４３に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッタ４３の偏光分離面を透過し、Ｒ用の反射型液晶表示素子３３Ｒへと至る。また、Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ４３に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッタ４３の偏光分離面を反射してＢ用の反射型液晶表示素子３３Ｂへと至る。

Ｒ用の反射型液晶表示素子３３Ｒに入射したＲの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ４３の偏光分離面で透過し光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ４３の偏光分離面を反射して投射光として１／２波長板４４に向かい、Ｐ偏光に変換される。

また、Ｂ用の反射型液晶表示素子３３Ｂに入射したＢの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッタ４３の偏光分離面を反射して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッタ４３の偏光分離面で反射して投射光として１／２波長板４４に向かい、Ｓ偏光に変換される。

このとき、第２の偏光ビームスプリッタ４３とＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子３３Ｒ，３３Ｂの間に設けられた１／４波長板３２Ｒ，３２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。

こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッタ４３から出射したＲとＢの色光は、Ｒの色光はＰ偏光、Ｂの色光はＳ偏光で合成プリズム３５に入射する。

そして、ＲとＢの投射光は合成プリズム３５を透過し、Ｇの色光と合成されて投射レンズ３６に至る。投射レンズ３６は、合成プリズム３５によって合成された光を不図示の被投射面に投射する投射手段（投射光学系）である。合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光は、投射レンズ３６によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。

色分離光学素子（例えば、ダイクロイックミラー２９、第１の偏光ビームスプリッタ３１、第２の偏光ビームスプリッタ４３）は集光レンズ系と表示素子の間に配置されている。このため、表示素子の各画角に入射する主光線が色分離光学素子に対し、略同角度で入射する構成になっている。そのため照明範囲調整による各画角に対する角度ずれも小さく、投影像における色むら等が低減できる。

実施例１、２のような反射型液晶表示素子の使用に限定されるものではなく、透過型の液晶表示素子、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）でも同様の効果が得られる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明は、液晶プロジェクタの用途に適用することができる。

６…第１のコンデンサーレンズ（レンズ群）、８…第２のコンデンサーレンズ（レンズ群）、７…ミラー（可動ミラー）、７ａ…駆動手段

Claims (6)

1. 光源からの光によって画像変調素子を照明する照明光学系あって、
   正のパワーを有する２つのレンズ群を有し、前記光源からの光束を前記画像変調素子に集光する集光レンズ系と、
   前記集光レンズ系の前記２つのレンズ群の間に配置され、前記画像変調素子に対する照明範囲を調整するミラーと、
   前記ミラーを回転駆動する駆動手段と、
   を有し、
   前記集光レンズ系の焦点距離をＦ、前記集光レンズ系の最も前記画像変調素子に近い面から前記画像変調素子までの光軸上の距離をＢｋとした時、以下の条件式が満足されることを特徴とする照明光学系。
   ０．８≦Ｂｋ／Ｆ＜１
2. 以下の条件式が更に満足されることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
   ０．８５≦Ｂｋ／Ｆ＜１
3. 前記駆動手段は、前記２つのレンズ群のそれぞれの光軸を含む平面に垂直な軸の周りに前記ミラーを回転駆動することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記駆動手段は、前記２つのレンズ群のそれぞれの光軸を含む平面に平行で、前記ミラーの反射面に平行な軸の周りに前記ミラーを回転駆動することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
5. 前記集光レンズ系と前記画像変調素子の間に色分離を行う色分離光学素子を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の照明光学系を有することを特徴とする投射型表示装置。