JP6705598B2 - プロジェクタおよび画像投写方法 - Google Patents

Description

本発明はプロジェクタおよび画像投写方法に関する。

従来の白色放電ランプの代わりにＬＥＤやレーザーなどの固体光源を用いたプロジェクタが実用化されている。また、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）色、または、黄（Ｙ）色の蛍光体にレーザー光を励起光として使用し、蛍光体で得られた蛍光を光源に用いる方式も実用化されている。
ところで、Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色用に３枚の液晶パネルを用いたプロジェクタでは、プロジェクタ装置内での液晶パネルの温度管理や、液晶パネルに照射する色光の光密度や波長成分などの特性が液晶パネルの長期信頼性に影響を与えていると考えられている。

固体光源のプロジェクタでは、光源の寿命が従来の放電ランプに比べて大幅に改善される。そのためプロジェクタの商品性も魅力的なものになる。光源の寿命が２万時間以上などをカタログに謳うものが多い。
光源の寿命が長くなると、プロジェクタ装置を構成する光源以外の部品に対しても、光源と同等の寿命を確保することが好ましい。そうすることでプロジェクタの商品信頼性や維持管理のし易さをアピールできるからである。

図１は従来の３板型のプロジェクタの光源および光学系の構成を示すブロック図である。図１に示されるプロジェクタでは、光源は、レーザー光源の励起光と蛍光体から構成されている。光源部８１からのＹの蛍光とＢのレーザー光とからなる光が、インテグレータ光学系および偏光変換光学系８２によりＳ偏光またはＰ偏光といった直線偏光に偏光統一される。Ｙ色蛍光は比較的広いスペクトラムを有するが、Ｂ色はレーザー光そのままなので波長帯域に関しては非常に狭いものである。

さて、光源部８１からの光は、ダイクロイックミラー６０２、６０３や反射ミラー６０４、６０６、６０８などにより、Ｒ、Ｇ、Ｂ用の液晶パネル６０９、６１０、６１１に照射される。特に、Ｂ用の光学系はリレーレンズ６０５、６０７などにより他の光学系統と同等な共役関係になるように調整されている。また、液晶パネルの直前にはコンデンサレンズ６１２、６１３、６１４を備える。さらに各液晶パネルは、前後には偏光子（不図示）や検光子（不図示）を備えている。Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色用の液晶パネルで光変調された光はクロスダイクロイックプリズム６１５で光合成されて投射レンズ６１６で拡大投射する。

安価小型で高画質、さらに、明るいプロジェクタが求められているが、それに応えるにはプロジェクタ装置内の各部品の小型化はもちろん、高密度実装が必要になる。コスト面のメリットも考慮し、より小型の液晶パネルに従来と同等、もしくは、それ以上の光を照射することが求められる。
液晶パネルの温度管理の面では、これまで以上に高度な設計技術、放熱技術や冷却技術が必要である。また、小型パネルへの照射光密度の増加に対しては、素子レベルでの劣化回避に向けた何らかの改善策が必要である。

プロジェクタ装置内の液晶パネルの温度管理技術としては、周知技術に加えて最新の冷却手段を適用することが行われ、これにより固体光源と同等の寿命時間に相当する時間の信頼確保が可能になってきている。
一方で、液晶パネルに照射される光密度や波長成分に関しては決定的な対策がないというのが実情である。液晶パネルに照射する光量としてはＧ色が最も大きく、Ｂ色は最も小さい。しかしながら光のエネルギーとしてはＢ色用パネルに最も配慮が必要になる。また、従来の放電ランプに比べて固体光源であるレーザー光は波長のスペクトル範囲も小さいので、液晶材料や配光膜が劣化に対して危険な波長帯域を避けることが容易と考えがちである。しかしながら、狭い波長帯域であっても非常に強度の大きな光成分であるため、寿命予測のための計算機シミュレーションなどをしてみると、放電ランプと同等か、それ以下という思いがけない計算結果すら出ることもある。

なお、液晶材料は、紫外はもとより短波長帯域に対して光吸収性を有するものが多く、微弱であっても長期間に亘る照射であれば液晶材料の劣化が起こり、表示品質低下を招くことが分かっている。従って、寿命信頼性の向上に対してはＢ色に対する対策を実施することが最も効果的である。
プロジェクタの耐光性を高め、信頼性を向上させることを目的として、特許文献１（特開２００９−３１５４５号公報）に開示されるものがある。

特開２００９−３１５４５号公報

特許文献１に開示されるものについて、その動作を詳細に検討すると装置全体として長期信頼性を高めるものとしては適当なものとは言えない。
本発明の目的とするところは、所定の色用の液晶表示パネルに照射される光量を低下させて光密度を緩和し、プロジェクタを構成する複数の液晶表示パネルに照射される光密度の均一化を図ることにより、各液晶表示パネルの寿命信頼性が改善され、装置全体の長期信頼性が高いプロジェクタを実現することにある。

本発明によるプロジェクタは、複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタであって、
所定の色の色光を直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記複数の液晶表示パネルを構成し、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルと、
前記複数の液晶表示パネルを構成し、前記所定の色以外の色光による画像光を生成する第３の液晶表示パネルと第４の液晶表示パネルと、
前記第３の液晶表示パネル及び前記第４の液晶表示パネルへ導光される、前記所定の色以外の色光の偏光を統一する偏光変換部と、
前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する画像合成部と、
を備え、
前記第１の偏光ビームスプリッタは、前記第１の画像光と第２の画像光を合成し、
前記画像合成部は、前記第１の偏光ビームスプリッタにより合成された画像光と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成するクロスダイクロイックプリズムを備え、
前記第３の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第２の偏光ビームスプリッタが設けられ、前記第４の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第３の偏光ビームスプリッタが設けられ、
前記複数の液晶表示パネルは反射型液晶表示パネルであり、
前記所定の色の色光は、青色光である。
または、複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタであって、
所定の色の色光を直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記複数の液晶表示パネルを構成し、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルと、
前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する画像合成部と、
を備え、
前記画像合成部は、
前記第１の画像光と第２の画像光の一方と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成するダイクロイックプリズムと、
前記第１の画像光と第２の画像光の他方と、前記ダイクロイックプリズムにより合成された画像光と、を合成する偏光ビームスプリッタの機能を備えたクロスダイクロイックプリズムと、
を備え、
前記所定の色の色光は、青色光である。

本発明による画像投写方法は、複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタで行われる画像投写方法であって、
前記複数の液晶表示パネルは反射型液晶表示パネルであり、
所定の色の色光を第１の偏光ビームスプリッタを用いて直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離し、
前記所定の色の色光は、青色光であり、
前記複数の液晶表示パネルを構成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルにより、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成し、
前記複数の液晶表示パネルを構成する第３の液晶表示パネルと第４の液晶表示パネルにより、前記所定の色以外の色光による画像光を生成し、
偏光変換部により、前記第３の液晶表示パネル及び前記第４の液晶表示パネルへ導光される、前記所定の色以外の色光の偏光を統一し、
前記第１の偏光ビームスプリッタにより、前記第１の画像光と第２の画像光を合成し、
画像合成部が備えるクロスダイクロイックプリズムにより、前記第１の偏光ビームスプリッタにより合成された画像光と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成し、
前記第３の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第２の偏光ビームスプリッタを設け、前記第４の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第３の偏光ビームスプリッタを設け、
前記画像合成部により、前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する。
または、複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタで行われる画像投写方法であって、
所定の色の色光を第１の偏光ビームスプリッタを用いて直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離し、
前記所定の色の色光は、青色光であり、
前記複数の液晶表示パネルを構成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルにより、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成し、
画像合成部が備えるダイクロイックプリズムにより、前記第１の画像光と第２の画像光の一方と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成し、
前記画像合成部が備える、偏光ビームスプリッタの機能を備えるクロスダイクロイックプリズムにより、前記第１の画像光と第２の画像光の他方と、前記ダイクロイックプリズムにより合成された画像光とを合成し、
前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する。

上記の構成を備える本発明のプロジェクタでは、耐光性の高い、信頼性の改善されたプロジェクタが提供される。

従来の３板型のプロジェクタの光源および光学系の構成を示すブロック図である。 本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の光源部を含めた実施形態の構成を示すブロック図である。 図３中の光源部８１の構成を示す図である。 図４中の蛍光ホイール８３の構成を示す図である。 本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の要部構成を示すブロック図である。 本発明によるプロジェクタの第３の実施形態の構成を示すブロック図である。 図７中のクロスダイクロイックプリズム５２３のＰ偏光およびＳ偏光についての波長透過特性を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

第１の実施形態
図２は本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の要部構成を示すブロック図である。
本実施形態のプロジェクタは、Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色の３原色に対応した液晶パネルを備え、それら液晶パネルで光変調した画像光をクロスダイクロイックプリズムで合成し、投射レンズで拡大投射する構成をとる。
具体的には、投射レンズ１１７と、クロスダイクロイックプリズム１１６と、直角プリズム１１５、１１４と、Ｒ色用液晶パネル１１３と、Ｇ色用液晶パネル１１２と、偏光ビームスプリッタプリズム１０９と、第１のＢ色用液晶パネル１０８と、第２のＢ色用液晶パネル１０７と、ダイクロイックミラー１０４と、偏光ビームスプリッタ１０１と反射ミラー１０２、１０３を備える。さらに各液晶パネルの近傍に設けられたコンデンサレンズ１０５、１０６、１１１、１１０を備える。また、各液晶パネルの前後には偏光板（不図示）を備える。投射レンズ１１７は液晶パネルに表示される画像を拡大投射するためのレンズである。クロスダイクロイックプリズム１１６は、赤色、緑色、青色の系統の光を合成するためのプリズムである。本実施形態においては、偏光ビームスプリッタプリズム１０９とクロスダイクロイックプリズム１１６が画像合成部を構成する。

３板型の液晶プロジェクタの分野では周知技術である。直角プリズム１１５および１１４は、光の進行方向を９０°曲げるためのプリズムであり、光学ガラス製であることが好ましい。また、全反射を利用すれば高い反射率、すなわち、低い光損失を期待できる。なお、斜面に反射率を高めるためのコーティングをしても構わない。偏光ビームスプリッタ１０９は、２個の光学ガラス製直角プリズムの斜面同士を張り合わせたもので、その張り合わせ面には、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性の誘電体多層膜が形成されている。偏光ビームスプリッタ１０９は、特にＢ色の波長帯域、例えば４２０ｎｍ〜４６０ｎｍ程度の光に対して良好な特性となるように設計されている。

液晶パネル１１３、１１２、１０７、１０８は同一の仕様とされ、透過型の高温ポリシリコンＴＦＴパネルが使用されている。ダイクロイックミラー１０４は光源（不図示）からのＲ色光とＧ色光とを分離するためのもので、Ｒ色光を透過させ、Ｇ色光を反射するものであり、プロジェクタの分野では周知技術である。偏光ビームスプリッタ１０１は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性である。本実施形態ではワイヤグリッド型の板形状のものを使用したが、この他に、プリズムタイプのものも知られており、どちらを利用しても構わない。この偏光ビームスプリッタ１０１はＢ色の帯域に対して所望の特性となるようとに設計した。
次に、本実施形態の動作について説明する。まず、光源からのＧ色やＲ色光であるが、これらの光はダイクロイックミラー１０４でＧ色とＲ色に分離される。

ダイクロイックミラーを透過したＲ色光はＲ用液晶パネル１１３を照明する。液晶パネルの直前にはコンデンサレンズ１１１が設けられており、コンデンサレンズ１１１により液晶パネル１１３の面上の照明分布が均一とされ、投射レンズ１１７に効率よく照明光を入射させることができる。また、液晶パネル１１３の前後には偏光板（不図示）が設けられている。液晶パネル１１３で光変調された画像光は、プリズム１１５で光路をクロスダイクロイックミラー１１６方向に折り曲げられて、クロスダイクロイックミラー１１６に入射する。

ダイクロイックミラー１０４で反射されたＧ色光はＧ用液晶パネル１１２を照明する。液晶パネル１１２の直前にはコンデンサレンズ１１０が設けられており、コンデンサレンズ１１０により液晶パネル１１２の面上の照明分布が均一とされ、投射レンズ１１７に効率よく照明光を入射させることができる。また、液晶パネル１１２の前後には偏光板（不図示）が設けられている。液晶パネル１１２で光変調されたた画像光は、プリズム１１４で光路をクロスダイクロイックミラー１１６方向に折り曲げられて、クロスダイクロイックミラー１１６に入射する。
クロスダイクロイックミラー１１６に入射したＲ色光とＧ色光は、色合成され、投射レンズ１１７で拡大投射される。

光源（不図示）からのＢ色光は非偏光であることが好ましい。Ｂ色光は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させる偏光ビームスプリッタ１０１によりＰ偏光とＳ偏光に分離される。偏光ビームスプリッタ１０１で反射されたＳ偏光は反射ミラー１０３で折り曲げられ、第１のＢ色用液晶パネル１０８を照明する。液晶パネル１０８の入射側にはコンデンサレンズ１０６が設けられている。コンデンサレンズ１０６を設ける目的はＲ用やＧ用の光学系統と同等である。液晶パネル１０８の前後には不図示の偏光板が設けられている。液晶パネル１０８で光変調された画像光はＰ偏光である。このＰ偏光は偏光ビームスプリッタ１０９に入射する。

偏光ビームスプリッタ１０１を透過したＰ偏光は反射ミラー１０２で折り曲げられ、第２のＢ色用液晶パネル１０７を照明する。液晶パネルの入射側にはコンデンサレンズ１０５が設けられている。コンデンサレンズ１０５を設ける目的はＲ用やＧ用の光学系統と同等である。液晶パネル１０７の前後には不図示の偏光板が設けられている。液晶パネル１０７で光変調された画像光はＳ偏光である。このＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１０９に入射する。偏光ビースプリッタ１０９で第１のＢ用液晶パネルの画像光と第２のＢ用液晶パネルの画像光は合成され、その後、クロスダイクロイックミラー１１６に入射する。クロスダイクロイックミラー１１６に入射したＢ色の合成画像光は、Ｇ色やＲ色の画像光とともにクロスダイクロイックプリズムで色合成されて投射レンズ１１７で拡大されることでフルカラーの画像が得られる。

さて、上記の光学系ではＢ色用として第１の液晶パネル１０８と第２の液晶パネル１０７の合計２個の液晶パネルを備えている。また、光源からのＢ色光は非偏光であって、偏光ビームスプリッタ１０１で約半分ずつの光量に分離されたうえで各々の液晶パネルを照明している。
従って、各液晶パネルに照射される光量は従来に比べて約半分に低下する。もちろん、この光量低下により液晶パネル面上の照射光密度は減少、緩和されることになる。
一般に照射される光量の低下と信頼性寿命との相関性は大きい。もし、Ｂ色用液晶パネルに対して照射光量が１／２になれば、同じ表示面積の液晶パネルであるなら寿命は２倍になるとが予想される。
また、もし照射光量が半分になれば、表示パネルの面積として約半分の小型の液晶パネルでも、表示面積が半分になる前の大きさの液晶パネルと同等の信頼性寿命を得ることが可能となる。

図３は、光源部を含めた実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態のプロジェクタは、単一の光源部８１を備えるもので、光源部８１の他に、ダイクロイックミラー２０１と、レンズ系２０２、２０３と反射ミラー２０４と、フライアイレンズ２０５、２０６とフィールドレンズ２０７と、偏光ビームスプリッタ２０８と、反射ミラー２０９、２１０と、第１のＢ色用液晶パネル２１５と第２のＢ色用液晶パネル２１４とコンデンサレンズ２１３、２１２と偏光ビームスプリッタ２１６と、偏光変換光学系８２と、フィールドレンズ２１０と、ダイクロイックミラー２１１と、Ｒ色用液晶パネル２２０と、Ｇ色用液晶パネル２１９と、コンデンサレンズ２１８、２１７と、プリズム２２１、２２２と、クロスダイクロイックプリズム２２３と、投射レンズ２２４と、を備える。

光源部８１の構成に関しては、図４に示すように、レーザー光源８０１と、コリメートレンズ８０２、集光レンズ８０３、蛍光ホイール８３、コリメートレンズ８０４を備える。レーザー光源８０１は、波長としては４４５ｎｍ付近で発振するＢ色を発光するレーザー光源を使用したが、４４５ｎｍ以外のＢ色レーザーを使用することも可能である。コリメートレンズ８０２は、レーザービームを平行化するためのもので、光学ガラスの平凸レンズ１枚のものを使用したが、複数枚構成のレンズ系としても良い。集光レンズ８０３はレーザー光を蛍光ホイール８３の蛍光体付近に集光するために用いた。

蛍光ホイール８３の構成は図５に示すように、円形基板７１と、蛍光体７３と、回転モータ７２を備える。蛍光体７３はＢ色の励起光に対して黄色（Ｙ）の蛍光を発光する材料を使用した。このような蛍光体の入手は容易に可能である。
円形基板７１はＢ色レーザー光を透過し、Ｙ色の励起光を反射する材料のものが使用されている。このような材料以外にも、ガラス基板に上記の透過特性および反射特性を有する機能性膜をコーティングすることとしてもよい。

光源部８１の動作に関して説明する。レーザー光源８０１によるＢ色レーザー光が、励起光としてコリメートレンズ８０２と集光レンズ８０３により蛍光ホイール８３の蛍光体７３の表面近傍に集光し、Ｙ色の蛍光が発光する。このときＹ色の蛍光だけでなく、励起に寄与しなかったＢ色光も存在するため、光源部８１で得られる光としてはＹ色とＢ色である。Ｙ色の発光スペクトルとしてはＧ色帯域とＲ色帯域の光を含んでいる。蛍光ホイール８３で発生するＹ色蛍光およびＢ色光は、コリメートレンズ８０４により略平行光となる。この後、光源部８１からの略平行光が図３に示したダイクロイックミラー２０１によりＢ色光とＹ色光とに分離される。

Ｂ色光は蛍光ではないのでレーザー光の偏光特性を維持している。一般にＢ色半導体レーザーからの光は直線偏光であることが知られている。従ってレーザービームの光軸周りに半導体レーザーを回転すると偏光方向も回転する。本発明のプロジェクタでは、Ｂ色光としては、非偏光、あるいは、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とがほぼ等量であることが好ましい。そこで、Ｂ色光の光学経路に位相差板を配置するか、レーザー光源の設置と固定においてレーザービームの光軸に対する回転方向の位置を調整することが望ましい。

分離後のＢ色の光学系統は、リレーレンズ系２０２、２０３や反射ミラー２０４の作用を受けて平行光を維持しながらフライアイレンズのインテグレータ２０５、２０６で光束分割され、その後、フィールドレンズ２０７やコンデンサレンズ２１２や２１３などの光学作用で液晶パネル２１２および２１５を重畳照明する。なお、リレーレンズ系は必ずしも必要という訳ではない。

Ｂ色光は偏光ビームスプリッタ２０８でＰ偏光とＳ偏光に分離される。偏光ビームスプリッタ２０８としてはワイヤグリッド型の偏光素子を使用した。反射したＢ色Ｓ偏光が第２のＢ色用液晶パネル２１４を照明する。また、偏光ビームスプリッタ２０８を透過したＢ色Ｐ偏光が第１のＢ色用液晶パネル２１５を照明する。各々の液晶パネルの前後には不図示の偏光板を備えているので、液晶パネルの電気的駆動に応じて光変調が実施され、画像が表示できる。ここで、偏光ビームスプリッタ２０８でほぼ等量に分離したＢ色光が第１および第２の液晶パネルに照射されているので、仮に１枚のＢ色用液晶パネルに光照射しているときに比べると照射光量は半分、すなわち、照射光密度が半分ということになる。

第１のＢ色用液晶パネル２１５と第２の液晶パネル２１４で光変調された画像光は、偏光ビームスプリッタ２１６で合成される。第１のＢ色用液晶パネル２１５にはＰ偏光が入射し、光変調後はＳ偏光となる。また第２のＢ色用液晶パネル２１４にはＳ偏光が入射し光変調後はＰ偏光となる。従って偏光ビームスプリッタ２１６での光の合成を矛盾なく実行するために、各々の液晶パネルと偏光ビームスプリッタ２１６との間に１／２波長板などの位相差板を配置することが好ましい。第１のＢ色用液晶パネルと第２のＢ色用液晶パネルの光は偏光ビームスプリッタ２１６で合成された後にクロスダイクロイックプリズム２２３へ向かう。

ダイクロイックミラー２０１を透過したＹ色光は非偏光光である。なぜなら、Ｙ色の蛍光体にＢ色レーザーの励起光を照射して得られた蛍光だからである。このＹ色非偏光光は、偏光変換光学系８２でＰ偏光もしくはＳ偏光に偏光統一できる。偏光変換光学系８２は、図４に示すように、フライアイレンズ８０５、８０６を備えたインテグレータを含むもので、このインテグレータで光束を分離し、各々の離散的になった光束の隙間に対応させて偏光ビームスプリッタアレイ８０７を配置することで偏光方向を統一するものである。ここではＳ偏光光に偏光統一したとする。このＹ色のＳ偏光光は、フィールドレンズ２１０やコンデンサレンズ２１７、２１８の光学作用により液晶パネルを均一照明する。

ダイクロイックミラー２１１はＲ色の波長帯域を透過し、Ｇ色の波長帯域を反射する特性となっている。従ってＹ色蛍光はＧ色成分とＲ色成分とに分離される。そして、Ｇ色成分、Ｒ色成分の光は、それぞれ、Ｇ色用液晶パネル２１９、Ｒ色用液晶パネル２２０を照明し、そこで光変調された画像光がクロスダイクロイックミラー２２３に入射し、Ｂ色の画像光とともに光合成されて投射レンズ２２４で拡大投射される。Ｒ色用液晶パネル２２０に向かう光はＳ偏光で、光変調後はＰ偏光であるから、クロスダイクロイックプリズム２２３での反射光損失を低減する目的で、クロスダイクロイックプリズム２２３の入射前となる位置に位相差板を設けて偏光方向をＳ偏光にしても構わない。また、液晶パネルとクロスダイクロイックプリズムとの間に直角プリズム２２１、２２２を用いている。直角プリズム内の光学経路とＢ色系統の偏光ビームスプリッタ２１６の光学経路に関しては等価になるようしてある。従って、投射レンズ２２４のバックフォーカスは各々の液晶パネルに対して等しい。

以上説明したように、単一の固体光源からのＹ色光とＢ色光とをＲ色、Ｇ色、Ｂ色の３色に分離し、各々の色光に対する液晶パネルに照射した上で、クロスダイクロイックプリズム２２３で色合成し、投射レンズ２２４で拡大投射するプロジェクタにおいて、特に、色分離したＢ色光に関して、偏光方向の異なる２つの経路に分離し、各々に対応する液晶パネルを概ね等量の光で照明するように構成したことで、Ｂ色の液晶パネルに照射される光の光量が、３板型の液晶プロジェクタに比べて半減し、光密度も半減する。したがって、従来のプロジェクタで問題であった、紫外および可視光の短波長側の光吸収による液晶材料の特性劣化や配光膜材料へのダメージに起因する寿命信頼性を改善できるという効果がある。Ｂ色液晶パネルへの照射光量を半減することにより、寿命を２倍とする効果がある。

第２の実施形態
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態が表示パネルに透過型の高温ポリシリコンＴＦＴパネルを用いていたのに対して、第２の実施形態では表示パネルに反射型液晶のＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）パネルを用いている。
図６は、本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の要部構成を示すブロック図である。図示されるように、本実施形態では２つの光源系統を有する。

本実施形態のプロジェクタは、光源部８１と、インテグレータ光学系を備えた偏光変換部８２と、フィールドレンズ４０９と、ダイクロイックミラー４１０と、コンデンサレンズ４１１、４１２と、偏光ビームスプリッタ４１３、４１４と、Ｒ色用ＬＣＯＳパネル４１６と、Ｇ色用ＬＣＯＳパネル４１５と、Ｂ色レーザー光源４０１と、拡散板４０２と、コリメートレンズ系４０３、４０４と、フライアイレンズ４０５、４０６と、フィールドレンズ系４０７、４１７と、位相差板４０８と、コンデンサレンズ４１８と、偏光ビームスプリッタ４１９と、第１のＢ色用ＬＣＯＳパネル４１９と、第２のＢ色用ＬＣＯＳパネル４２０と、クロスダイクロイックプリズム４２２と、投射レンズ４２３と、を備える。本実施形態においては、クロスダイクロイックプリズム４２２により画像合成部が構成される。

まず、Ｒ色およびＧ色の光学系統を説明する。
本実施形態の光源部８１からは、主にＹ色光が発光している。レーザー光源８０１（図４参照）が出射するＢ色レーザーを励起光にしているが、蛍光ホイール７１に形成する蛍光体７３（図３参照）の材料の種類や塗布厚、さらには蛍光材料の粒子径などを適切に調整することによって、もっぱらＹ色蛍光を得ることができる。この光は偏光変換部８２により偏光統一され、フィールドレンズ４０９やダイクロイックミラー４１０によるＧ色とＲ色との分光、そしてコンデンサレンズ４１１、４１２を通り、さらに偏光ビームスプリッタ４１３、４１４を通ってＧ色用ＬＣＯＳパネル４１５およびＲ色用ＬＣＯＳパネル４１６を照明する。照明後は各ＬＣＯＳパネルで光変調された画像光がクロスダイクロイックプリズム４２２へ向かう。ＬＣＯＳパネル近傍、クロスダイクロイックプリズム４２２の入射面近傍などには不図示の位相差板や偏光板などを適切に備えることが好ましい。

次に、Ｂ色系統の光学系統について説明する。Ｂ色を発光するレーザー光源４０１は、光源部８１で蛍光体の励起に使用したレーザー光源と同じものでも構わないが、波長を若干異ならせることも可能である。適切な波長の選択により、投射画像の色温度や表示可能色域の拡大が望める。
Ｂ色レーザービームは拡散板４０２により発散性のある光線に変換される。拡散板４０２としては透明なガラス基板などに構造的にマイクロレンズを形成したものや、すりガラス状の表面処理を行ったものなどが知られている。レンズ系４０３、４０４は発散光束を平行化するために設けられ、フライアイレンズ４０５、４０６を用いたインテグレータ光学系は照度均一化を目的に設けられている。

フライアレンズ４０５、４０６で領域分割された光束を表示パネルに重畳結像させるべくフィールドレンズ４０７、４１７、コンデンサレンズ４１８が設けられている。また、このレンズ系の内部に位相差板４０８が設けられている。この位相差板４０８は、光束のＰ偏光成分とＳ偏光成分が概ね等量となるように緒元や配置が決定されている。もちろん、レーザー光源４０１の設置、配置により光軸周りの調整を行うことも可能である。偏光ビームスプリッタ４１９に入射するＢ色光は、Ｐ偏光とＳ偏光を概ね等量含んだ光である。従って偏光ビームスプリッタでＰ偏光とＳ偏光とが約半分ずつに分離されて第１のＢ色用ＬＣＯＳパネル４２１と第２のＢ色用ＬＣＯＳパネル４２０に向かう。各ＬＣＯＳパネルで変調後に、クロスダイクロイックプリズム４２２で、Ｒ色とＧ色と合成された後、投射レンズ４２３で拡大される。

以上説明したように、本実施形態では２系統の光源を設け、Ｙ色光をＲ色光、Ｇ色光に分離し、各々の色光に対するＬＣＯＳパネルに照射した。Ｂ色レーザー光についてはＰ偏光とＳ偏光に任意の割合となるように調整後、偏光方向に応じて設けられた２つの経路に進行させ、各々対応するＬＣＯＳパネルを照明する構成とした。照射光量を概ね等量とすることで、第１および第２の、Ｂ色ＬＣＯＳパネルに照射される光量は、３板型のＬＣＯＳプロジェクタに比べると半減し、光密度も半減する。したがって、従来のプロジェクタで問題であった、紫外および可視光の短波長側の光吸収による液晶材料の特性劣化や配光膜材料へのダメージに起因する寿命信頼性を改善できるという効果がある。Ｂ色液晶パネルへの照射光量半減させることにより、寿命を２倍とする効果がある。さらにまた、Ｂ色の光源系統が独立しているので、光源の発光波長の選択自由度が高まり、所定の波長を選択することにより良好な色再現、表示可能色度範囲の拡大など、高画質化も併せて実現できるという効果が加わる。

第３の実施形態
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。上述した各実施形態について種々の変形が可能である。第２の実施形態で説明したＬＣＯＳ表示パネルを透過型のポリシリコンＴＦＴパネルとすることは容易に可能である。
また、第１の実施形態や第２の実施形態では、第１のＢ色用パネルと第２のＢ色用パネルの画像光は、偏光ビームスプリッタで合成し、その後クロスダイクロイックプリズムへ入射させていた。
図７は本発明によるプロジェクタの第３の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態では、偏光ビームスプリッタを用いることなく第１のＢ色用パネルと第２のＢ色用パネルの画像光が合成される。

図６に示した第２の実施形態の場合と同様に、光源８１はもっぱらＹ色光を発光する。偏光変換部８２のフライアイレンズにより照度均一化や偏光変換などが行われた後、ダイクロイックミラー５１５で、Ｒ色光は透過し、Ｇ色光は反射する。Ｒ色光はダイクロイックミラー５１５を透過した後に、反射ミラー５１７で反射し、Ｒ色用液晶パネル５２１で光変調され、平行平板ガラス５２２を通りクロスダイクロイックプリズム５２３へ向かう。

ダイクロイックミラー５１５で反射されたＧ色光は、反射ミラー５１６で反射した後にＧ色用液晶パネル５２０で光変調され、ダイクロイックプリズム５１４を透過してクロスダイクロイックプリズム５２３へ向かう。ダイクロイックプリズム５１４はＧ色波長域の光を透過し、Ｂ色波長域の光を反射する特性である。また、平行平板ガラス５２２は、液晶パネルと投射レンズ５２４までの光学的距離が、Ｇ色やＢ色の光学系等と同じになるようにガラスの材質、寸法などの緒元が定められている。

Ｂ色のレーザー光源５０１からの光は、拡散板５０２で拡散された後に、レンズ系５０３、５０４でコリメートされた後に、フライアイレンズ５０５、５０５´やフィールドレンズ５０６、コンデンサレンズ５０９、５１０を経由する。この間、位相差板５０７で光源のＢ色レーザー光はＳ偏光とＰ偏光とが半々近くの光量に調整され、偏光ビームスプリッタ５０８でＳ偏光とＰ偏光とが分離される。分離されたＳ偏光とＰ偏光は、第１のＢ色用液晶パネル５１２と第２の液晶パネル５１１をそれぞれ照明し、光変調されて画像光が得られる。

ダイクロイックプリズム５１４で第２のＢ色用パネルの画像光とＧ色用パネルの画像光とが合成され、その後ダイクロイックプリズム５２３へ向かう。
第１のＢ色用パネルの画像光がクロスダイクロイックプリズム５２３へ向かう。第１のＢ色用液晶パネルの画像光、第２のＢ色用液晶パネルの画像光、Ｇ色用液晶パネルの画像光、Ｒ色用液晶パネルの画像光と、がダイクロイックプリズム５２３で合成されて投射レンズ５２４で拡大投射されフルカラーの画像を得る。

図８はクロスダイクロイックプリズム５２３のＰ偏光およびＳ偏光についての波長透過特性を示す図である。クロスダイクロイックプリズム５２３は、図示されるように、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光を合成する過程で、Ｂ色光に関してはＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過するビームスプリッタの機能を備えた特性となっている。このため、偏光ビームスプリッタを用いることなく、クロスダイクロイックプリズム５２３により第１のＢ色用パネルと第２のＢ色用パネルの画像光を合成することが可能となっている。このような特性のクロスダイクロイックプリズムを利用するか、偏光ビームスプリッタを利用するかは光学部品のコストを勘案して決めればよい。なお、本実施形態においてもＢ色表示パネルの信頼性向上に関しては第１の実施形態や第２の実施形態と同等の効果が得られる。このように、本実施形態においては、ダイクロイックプリズム５１４とクロスダイクロイックプリズム５２３により画像合成部が形成されている。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態では、単一の固体光源からのＹ色光とＢ色光とをＲ、Ｇ、Ｂの３色に分離し、各々の色光に対する液晶パネルに照射した上で、クロスダイクロイックプリズムで色合成し投射レンズで拡大投射するプロジェクタにおいて、特に、色分離したＢ色光に関して、偏光方向の異なる２つの経路に分離し、各々対応する液晶パネルを概ね等量の光で照明するように構成している。このことで、Ｂ色の液晶パネルに照射される光の光量が、３板型の液晶プロジェクタに比べて半減し、光密度も半減する。したがって、従来のプロジェクタで問題であった、紫外および可視光の短波長側の光吸収による液晶材料の特性劣化や配光膜材料へのダメージに起因する寿命信頼性を改善できるという効果がある。Ｂ色用液晶パネルへの照射光量半減により、寿命を２倍とする効果がある。

本発明の第２の実施形態では、２系統の光源を備えるものとし、Ｙ色光をＲ色光、Ｇ色光に分離し、各々の色光に対するＬＣＯＳパネルに照射した。Ｂ色レーザー光をＰ偏光とＳ偏光とに任意の割合になるよう調整した後、偏光方向の異なる２つの経路に分離し、各々対応する第１および第２のＢ色用ＬＣＯＳパネルを照明するように構成した。照射光量を概ね等量とすることで、第１および第２のＢ色用ＬＣＯＳパネルに照射される光の光量が、３板型のＬＣＯＳプロジェクタに比べて半減し、光密度も半減する。したがって、従来のプロジェクタで問題であった、紫外および可視光の短波長側の光吸収による液晶材料の特性劣化や配光膜材料へのダメージに起因する寿命信頼性を改善できるという効果がある。Ｂ色用液晶パネルへの照射光量半減による寿命を２倍とする効果がある。さらにまた、Ｂ色の光源系統が独立しているので光源の発光波長の選択自由度が高まるので、所定の波長としてやれば良好な色再現、表示可能色度範囲の拡大など高画質化も併せて実現できるという効果が加わる。

上述のように、本発明は、主に３板型の液晶プロジェクタにおける表示パネルの長寿命化を達成する。紫外線を含む場合や、短波長の光を含むＢ色光の液晶パネルへの照射に対して液晶材料および配光膜の劣化に起因する寿命劣化が飛躍的に改善されたプロジェクタを実現できた。

３板型のプロジェクタの液晶パネルのうち、Ｒ色用、Ｇ色用、Ｂ色用に各１枚の液晶パネルでなく、少なくともＢ色用の液晶パネルをさらに１つ増やして、全体として少なくとも４板型の構成にする。Ｒ色、Ｇ色、Ｂ色用に各１つの液晶パネルを備えたプロジェクタに比べて、Ｂ色系統に関し、表示用の液晶パネルが１つ増えるので各々のＢ色液晶パネルに照射される光の強度としては１つの液晶パネルの時に比べて低下する。そのため、液晶パネルを構成する液晶材料や配光膜に対するダメージを低減させることが可能になり、その結果として長寿命化、高信頼性が達成される。もともと寿命特性の比較的良好なＧ色、Ｒ色用の液晶パネルに拮抗する寿命特性をＢ色用パネルが獲得することで、結果として耐光性の高い、信頼性の改善されたプロジェクタが提供される。

本発明では、最も波長特性に依存して表示デバイスのダメージが予想されるＢ色用表示パネルに関し、プロジェクタの構成上、その表示パネル数を２個にすることで、単一の場合に比べて光照射における優位性によって表示パネルの寿命信頼性の向上が達成できた。もちろんであるが、Ｂ色光以外の色光のパネルに対しても、光量を分離し追加の表示パネルを準備してやれば、同様の寿命特性の大幅アップが期待できる。

上述した各実施形態では固体光源のプロジェクタを例に構成などを説明しているが、従来の放電ランプの光学系においても本発明を適用可能である。

１０１、２０８、５０８ 偏光ビームスプリッタ（ワイヤグリッド型）
１０２、１０３、２０４、２０９、２１０、５１６、５１７、６０４、６０６、６０８ 反射ミラー
１０４、２０１、２１１、４１０、５１５、６０２、６０３ ダイクロイックミラー
１０５、１０６、１１０、１１１、２１２、２１３、２１７、２１８、４１１、４１２、４１８、５０９、５１０、５１８、５１９、６０９、６１０、６１１ コンデンサレンズ
１０７、１０８、１１２、１１３、２１４、２１５、２１９、２２０、５１１、５１２、５２０、５２１、６１２、６１３、６１４ 液晶パネル
１０９、２１６、４１３、４１４、４１９ 偏光ビームスプリッタ
１１４、１１５、２２１、２２２、５１３ 直角プリズム
１１６、２２３、４２２、５２３、６１５ クロスダイクロイックプリズム
１１７、２２４、４２３、５２４、６１６ 投射レンズ
８１ 光源部
８２ 偏光変換部
２０２、２０３ レンズ系
２０５、２０６、４０５、４０６、５０５、５０６、８０５、８０６ フライアイレンズ
２０７、４０７、４０９、４１７、６０１ フィールドレンズ
４０１、５０１、８０１ Ｂ色レーザー
４０２、５０２ 拡散板
４０３、４０４、５０３、５０４、８０２、８０４ コリメートレンズ系
４０８、５０７ 波長板
４１５、４１６、４２０、４２１ ＬＣＯＳパネル
５１４ ダイクロイックプリズム
５２２ 平行平板
６０５、６０７ リレーレンズ系
７３ 蛍光体
７１ 基板
７２ モータ
８０３ 集光レンズ
８０７ 偏光ビームスプリッタアレイ

Claims (6)

1. 複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタであって、
   所定の色の色光を直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記複数の液晶表示パネルを構成し、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルと、
   前記複数の液晶表示パネルを構成し、前記所定の色以外の色光による画像光を生成する第３の液晶表示パネルと第４の液晶表示パネルと、
   前記第３の液晶表示パネル及び前記第４の液晶表示パネルへ導光される、前記所定の色以外の色光の偏光を統一する偏光変換部と、
   前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する画像合成部と、
   を備え、
   前記第１の偏光ビームスプリッタは、前記第１の画像光と第２の画像光を合成し、
   前記画像合成部は、前記第１の偏光ビームスプリッタにより合成された画像光と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成するクロスダイクロイックプリズムを備え、
   前記第３の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第２の偏光ビームスプリッタが設けられ、前記第４の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第３の偏光ビームスプリッタが設けられ、
   前記複数の液晶表示パネルは反射型液晶表示パネルであり、
   前記所定の色の色光は、青色光であるプロジェクタ。
2. 複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタであって、
   所定の色の色光を直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記複数の液晶表示パネルを構成し、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルと、
   前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する画像合成部と、
   を備え、
   前記画像合成部は、
   前記第１の画像光と第２の画像光の一方と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成するダイクロイックプリズムと、
   前記第１の画像光と第２の画像光の他方と、前記ダイクロイックプリズムにより合成された画像光と、を合成する偏光ビームスプリッタの機能を備えたクロスダイクロイックプリズムと、
   を備え、
   前記所定の色の色光は、青色光であるプロジェクタ。
3. 請求項２記載のプロジェクタにおいて、
   前記所定の色以外の色光による画像光であって、前記ダイクロイックプリズムで合成されない画像光を生成する第３の液晶表示パネルと、
   前記第３の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に設けられた平行平板と、
   前記第１の画像光と第２の画像光の他方を生成する前記第１の液晶表示パネルまたは前記第１の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に設けられた直角プリズムと、を備えたプロジェクタ。
4. 請求項２または３記載のプロジェクタにおいて、
   前記複数の液晶表示パネルは透過型液晶表示パネルであるプロジェクタ。
5. 複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタで行われる画像投写方法であって、
   前記複数の液晶表示パネルは反射型液晶表示パネルであり、
   所定の色の色光を第１の偏光ビームスプリッタを用いて直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離し、
   前記所定の色の色光は、青色光であり、
   前記複数の液晶表示パネルを構成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルにより、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成し、
   前記複数の液晶表示パネルを構成する第３の液晶表示パネルと第４の液晶表示パネルにより、前記所定の色以外の色光による画像光を生成し、
   偏光変換部により、前記第３の液晶表示パネル及び前記第４の液晶表示パネルへ導光される、前記所定の色以外の色光の偏光を統一し、
   前記第１の偏光ビームスプリッタにより、前記第１の画像光と第２の画像光を合成し、
   画像合成部が備えるクロスダイクロイックプリズムにより、前記第１の偏光ビームスプリッタにより合成された画像光と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成し、
   前記第３の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第２の偏光ビームスプリッタを設け、前記第４の液晶表示パネルと前記クロスダイクロイックプリズムとの間に第３の偏光ビームスプリッタを設け、
   前記画像合成部により、前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する、画像投写方法。
6. 複数の液晶表示パネルのそれぞれに色光を照射することにより得られる複数の画像光を合成して投写するプロジェクタで行われる画像投写方法であって、
   所定の色の色光を第１の偏光ビームスプリッタを用いて直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光に分離し、
   前記所定の色の色光は、青色光であり、
   前記複数の液晶表示パネルを構成する第１の液晶表示パネルと第２の液晶表示パネルにより、前記第１の直線偏光と第２の直線偏光による第１の画像光と第２の画像光をそれぞれ生成し、
   画像合成部が備えるダイクロイックプリズムにより、前記第１の画像光と第２の画像光の一方と、前記所定の色以外の色光による画像光を合成し、
   前記画像合成部が備える、偏光ビームスプリッタの機能を備えるクロスダイクロイックプリズムにより、前記第１の画像光と第２の画像光の他方と、前記ダイクロイックプリズムにより合成された画像光とを合成し、
   前記第１の画像光と第２の画像光を含む、前記複数の液晶表示パネルにより得られた複数の画像光を合成して出射する、画像投写方法。

Images