(57)【要約】【課題】  反射型液晶パネルを用いた画像投射装置において簡便な構成で高コントラストを得ることができる画像投射装置を提供すること。【解決手段】  本発明の画像投射装置は、色分離素子と、波長選択性位相板と、第１、第２および第３の反射型画像表示素子と、偏光作用を有する第１、第２の偏光ビームスプリッタと、合成プリズムと、投射レンズを有し、第２の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第１の光学膜面とし、前記合成プリズムの色合成作用を有する光学膜面を第２の光学膜面とし、第２の反射型画像表示素子の入出射面の法線と第１の光学膜面の法線に平行な断面を第１の断面とし、合成プリズムの出射面の法線と第２の光学膜面の法線に平行な断面を第２の断面とし、前記第１の断面及び第２の断面がお互いに直交していることを特徴とする画像投射装置。【選択図】  図２
2011128569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を第１色光と、第２色光及び第３色光とに分離する色分離素子と、
前記第２色光及び第３色光の何れか一方の偏光方向を９０°回転させる波長選択性位相板と、
前記第１色光を変調して反射する第１の反射型画像表示素子と、
前記第２色光を変調して反射する第２の反射型画像表示素子と、
前記第３色光を変調して反射する第３の反射型画像表示素子と、
前記第１の反射型画像表示素子で変調された第１色光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の反射型画像表示素子及び前記第３の反射型画像表示素子で変調された前記第２色光及び第３色光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタ及び前記第２の偏光ビームスプリッタで検光された前記第１色光、第２色光及び第３色光を合成し、該第２色光または第３色光の少なくとも何れか一方の色光を検光する作用を有する合成プリズムと、
前記合成プリズムで合成された第１色光、第２色光及び第３色光を投射する投射レンズを有する画像投射装置において、
前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第１の光学膜面とし、
前記合成プリズムの色合成作用を有する光学膜面を第２の光学膜面とし、
前記第２の反射型画像表示素子の入出射面の法線と前記第１の光学膜面の法線に平行な断面を第１の断面とし、
前記合成プリズムの出射面の法線と前記第２の光学膜面の法線に平行な断面を第２の断面とし、
前記第１の断面及び前記第２の断面がお互いに直交していることを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
前記第１の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第３の光学膜面とし、
前記第１の反射型画像表示素子の入出射面の法線と前記第３の光学膜面の法線に平行な断面を第３の断面とし、
前記第２の断面及び前記第３の断面がお互いに直交していることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項３】
光源からの光を第１色光と、第２色光及び第３色光とに分離する色分離素子と、
前記第２色光及び第３色光の何れか一方の偏光方向を９０°回転させる波長選択性位相板と、
前記第１色光を変調して反射する第１の反射型画像表示素子と、
前記第２色光を変調して反射する第２の反射型画像表示素子と、
前記第３色光を変調して反射する第３の反射型画像表示素子と、
前記第１の反射型画像表示素子で変調された第１色光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の反射型画像表示素子及び前記第３の反射型画像表示素子で変調された前記第２色光及び第３色光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタ及び前記第２の偏光ビームスプリッタで検光された前記第１色光、第２色光及び第３色光を合成し、第１色光を検光する作用を有する合成プリズムと、
前記合成プリズムで合成された第１色光、第２色光及び第３色光を投射する投射レンズを有する画像投射装置において、
前記第１の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第１の光学膜面とし、
前記合成プリズムの色合成作用を有する光学膜面を第２の光学膜面とし、
前記第１の反射型画像表示素子の入出射面の法線と前記第１の光学膜面の法線に平行な断面を第１の断面とし、
前記合成プリズムの出射面の法線と前記第２の光学膜面の法線に平行な断面を第２の断面とし、
前記第１の断面及び前記第２の断面がお互いに直交していることを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第３の光学膜面とし、
前記第２の反射型画像表示素子の入出射面の法線と前記第３の光学膜面の法線に平行な断面を第３の断面とし、
前記第２の断面及び前記第３の断面がお互いに直交していることを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記色分離素子と前記第１の偏光ビームスプリッタとの間に第１の反射部と、
前記色分離素子と前記第２の偏光ビームスプリッタとの間に第２の反射部とを有し、
前記第１の反射部および前記第２の反射部により前記第１の色光と前記第２及び３の色光が平行になるよう反射されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項６】
第１、第２および第３の反射型画像表示素子を照明するために、光源からの光を３つの色光に分離し、該分離した光を再び合成して投射光学系に導く色分解合成光学系において、
光源からの光を第１色光と、第２色光及び第３色光とに分離する色分離素子と、
前記第２色光及び第３色光の何れか一方の偏光方向を９０°回転させる波長選択性位相板と、
前記第１の反射型画像表示素子で変調された前記第１色光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の反射型画像表示素子及び前記第３の反射型画像表示素子で変調された前記第２色光及び第３色光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタ及び前記第２の偏光ビームスプリッタで検光された前記第１色光、第２色光及び第３色光を合成し、第２色光または第３色光の少なくとも何れか一方の色光を検光する作用を有する合成プリズムとを有し、
前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第１の光学膜面とし、
前記合成プリズムの色合成作用を有する光学膜面を第２の光学膜面とし、
前記第２の反射型画像表示素子の入出射面の法線と前記第１の光学膜面の法線に平行な断面を第１の断面とし、
前記合成プリズムの出射面の法線と前記第２の光学膜面の法線に平行な断面を第２の断面とし、
前記第１の断面及び前記第２の断面がお互いに直交していることを特徴とする色分解合成光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型の画像表示素子を用いた画像投射装置に用いられる光学系に関し、さらに詳しくは色分解合成光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
３枚の反射型画像表示素子を用いた画像投射装置において色分解合成光学系を小型化した光学系として、特許文献１や特許文献２に示される色分解合成光学系が知られている。前記色分解合成光学系は、３色の光を２個の偏光ビームスプリッタで検光すると共に合成する光学系であり、これによれば光学系の小型化を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１２２８１０号公報
【特許文献２】特開２００４−０２０６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の色分解合成光学系では、コントラストを改善するため偏光板等の検光作用を有する光学素子を配置する必要があり、配置される光学素子が多くなる。そのため、従来の構成では構成の簡便化と高コントラスト化の両立が難しかった。
そこで本発明は、簡便な構成で高いコントラストを得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
光源からの光を第１色光と、第２色光及び第３色光とに分離する色分離素子と、
前記第２色光及び第３色光の何れか一方の偏光方向を９０°回転させる波長選択性位相板と、
前記第１色光を変調して反射する第１の反射型画像表示素子と、
前記第２色光を変調して反射する第２の反射型画像表示素子と、
前記第３色光を変調して反射する第３の反射型画像表示素子と、
前記第１の反射型画像表示素子で変調された第１色光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の反射型画像表示素子及び前記第３の反射型画像表示素子で変調された前記第２色光及び第３色光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタ及び前記第２の偏光ビームスプリッタで検光された前記第１色光、第２色光及び第３色光を合成し、第２色光または第３色光の少なくとも何れか一方の色光を検光する作用を有する合成プリズムと、
前記合成プリズムで合成された前記第１色光、第２色光及び第３色光を投射する投射レンズを有する画像投射装置において、
前記第２の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する光学膜面を第１の光学膜面とし、
前記合成プリズムの色合成作用を有する光学膜面を第２の光学膜面とし、
前記第２の反射型画像表示素子の入出射面の法線と前記第１の光学膜面の法線に平行な断面を第１の断面とし、
前記合成プリズムの出射面の法線と前記第２の光学膜面の法線に平行な断面を第２の断面とし、
前記第１の断面及び前記第２の断面がお互いに直交していることを特徴とする画像投射装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、簡便な構成で高コントラストを得ることができる画像投射装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態１に係る照明光学系
【図２】実施形態１に係る色分解合成光学系
【図３】実施形態１に係る第２の偏光ビームスプリッタと合成プリズムの膜特性
【図４】実施形態２に係る色分解合成光学系
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施形態１）
図１および図２に本実施例の画像投射装置の照明光学系と色分解合成光学系を示す。図１中の２はランプユニット（光源部）、３は第１のフライアイレンズ、４は第２のフライアイレンズ、５はＰＳ変換素子（偏光変換素子）、６はコンデンサレンズである。ランプユニット２からコンデンサレンズ６までを照明光学系１とする。これは、以下に説明する実施例でも同様である。７は色分解合成光学系である。
【０００９】
図２の８は投射レンズ（投射光学系）、１１はダイクロイックミラー（色分離素子）、１２は第１のミラー、１３は第１のフィールドレンズ、１４は第１の偏光ビームスプリッタである。１５はＧ帯域用の反射型液晶パネル（第１の反射型画像表示素子）、１６は第２のミラー、１７は波長選択性位相板、１８は第２のフィールドレンズ、１９は第２の偏光ビームスプリッタである。２０はＢ帯域用の反射型液晶パネル（第２の反射型画像表示素子）、２１はＲ帯域用の反射型液晶パネル（第３の反射型画像表示素子）、２２は合成プリズムを示す。１４Ａは第１の偏光ビームスプリッタ１４の偏光作用を有する光学膜面（第３の光学膜面）、１９Ａは第２の偏光ビームスプリッタ１９の偏光作用を有する光学膜面（第１の光学膜面）、２２Ａは合成プリズムの偏光作用を有する光学膜面（第２の光学膜面）を示す。本明細書中では、それぞれの色光である赤帯域の光、緑帯域の光、青帯域の光をＲ、Ｇ、Ｂと表す。またＲ、Ｇ、Ｂ用の反射型画像表示素子をそれぞれＲ液晶パネル、Ｇ液晶パネル、Ｂ液晶パネルと称す。以下、ｘ軸はＢ液晶パネルの長辺方向、ｙ軸はＢ液晶パネルの短辺方向、ｚ軸は投射レンズの光軸を表す。図１の右下に座標軸を示した。色分解合成光学系７（色分離合成系）はダイクロイックミラー１１から合成プリズム２２までの光学素子を有する光学系とする。ダイクロイックミラー１１と第１の偏光ビームスプリッタ１４との間に第１のミラー１２（第１の反射部）と、ダイクロイックミラー１１と第２の偏光ビームスプリッタ１９との間に第２のミラー１６（第２の反射部）が配置されている。第１のミラー１２と第２のミラー１６は、ダイクロイックミラー１１により分離された緑帯域の光（第１の色光）と赤及び青帯域の光（第２及び３の色光）が略平行な状態でｙ方向に反射する。
【００１０】
以下、光学膜面１４Ａの法線とＧ液晶パネル１５の入出射面の法線に平行な断面をＡ断面（ｘｙ断面、第３の断面）とする。光学膜面１９Ａの法線とＢ液晶パネル２０の入出射面の法線に平行な断面をＢ断面（ｙｚ断面、第１の断面）とする。光学膜面２２Ａの法線と合成プリズム２２の出射面の法線に平行な断面をＣ断面（ｘｚ断面、第２の断面）とする。本実施形態は、Ａ断面、Ｂ断面およびＣ断面が直交するように構成されている。このように構成することにより、ダイクロイックミラー１１による分離される分離面（照明光学系の光軸とダイクロイックミラーの法線を含む面）と合成プリズム２２により合成される合成面（Ｇ液晶パネルの法線とＢ液晶パネルの法線を含む面）は異なる平面となる。
【００１１】
実施形態１はＧ液晶パネル１５の長辺１５Ｌは、ｘｙ断面に直交した１辺１４Ｌと平行、Ｂ液晶パネル２０の長辺２０Ｌ及びＲ液晶パネル２１の長辺２１Ｌは、ｙｚ断面に直交した１辺１９Ｌに平行である。
【００１２】
ランプユニット２からの光束は、第１のフライアイレンズ３によって複数の光束に分割され、各分割光束は、第２のフライアイレンズ４、ＰＳ変換素子５の近傍に集光され、光源の像を作る。第１、第２フライアイレンズ３、４は複数のレンズが２次元方向に配置されて構成されている。ＰＳ変換素子５は、第２のフライアイレンズ４を出射した各分割光束を直線偏光光に変換する。本実施形態ではＳ偏光光に揃えている。ＰＳ変換素子５から出射したＳ偏光光はコンデンサレンズ６によって収斂され、色分解合成光学系７を経て、Ｂ、Ｇ、Ｒ用の液晶パネル２０、１５、２１をそれぞれ照明する。
【００１３】
ダイクロイックミラー１１はコンデンサレンズ６を透過したＳ偏光光のうちＢ帯域とＲ帯域の光を透過し、Ｇ帯域光を反射して、Ｇ帯域光（第１色光）とＢ帯域光（第２色光）およびＲ帯域光（第３色光）に分離する。ダイクロイックミラー１１を反射したＧ帯域のＳ偏光光は、第１のミラー１２で反射される。第１のミラー１２で反射した光は、第１の偏光ビームスプリッタの入射面側に配置された第１のフィールドレンズ１３を透過して、第１の偏光ビームスプリッタ１４で反射され、Ｇ液晶パネル１５に入射する。Ｇ液晶パネル１５からの画像光は、第１の偏光ビームスプリッタ１４を透過し、さらに合成プリズム２２で反射して投射レンズ８によって不図示のスクリーンに投影される。画像光とは、液晶パネルで変調された光のことを表しており、本実施例での画像光とは液晶パネルで偏光が９０°回転した光で、投射レンズに向かう光である。変調されなかった光は、第１の偏光ビームスプリッタ１４を反射し光源側へ戻される。
【００１４】
色合成作用を有する合成プリズム２２はＢ帯域光を透過し、Ｇ帯域光を反射し、Ｒ帯域光の画像光を透過し、Ｒ帯域光の非画像光を反射する光学膜面を有するプリズムである。非画像光とは、その偏光方向が画像光と直交する光のことである。
【００１５】
一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＢ帯域およびＲ帯域は、第２のミラー１６で反射される。波長選択性位相板１７はＲ帯域の偏光方向のみを９０度回転させる。Ｂ帯域およびＲ帯域の光は、第２の偏光ビームスプリッタの入射面側に配置された第２のフィールドレンズ１８を透過して、Ｓ偏光であるＢ帯域光は第２の偏光ビームスプリッタ１９で反射し、Ｐ偏光であるＲ帯域光は第２の偏光ビームスプリッタ１９を透過する。そして、第２の偏光ビームスプリッタ１９から出射したＢ帯域光およびＲ帯域光はそれぞれ、Ｂ液晶パネル２０およびＲ液晶パネル２１上に集光する。Ｒ液晶パネル２１で反射され、かつ変調されたＲ帯域偏光光（Ｓ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１９で反射される。また、Ｂ液晶パネル２０で反射され、かつ変調されたＢ帯域の画像光は、第２の偏光ビームスプリッタ１９を透過する。その後、Ｂ帯域の画像光およびＲ帯域の画像光は合成プリズム２２を透過し、投射レンズ８によってスクリーンに投影される。つまり、Ｇ液晶パネル１５からの画像光は第１の偏光ビームスプリッタ１４を検光され、Ｂ液晶パネル２０からの画像光は第２の偏光ビームスプリッタ１９を検光される。Ｒ液晶パネルからの画像光は第２の偏光ビームスプリッタ１９および合成プリズム２２で検光される。
【００１６】
図３（ａ）、（ｂ）に第２の偏光ビームスプリッタ１９のＲ帯域の非画像光（Ｐ偏光光）に対する反射角度特性、および合成プリズム２２のＲ帯域の画像光（Ｓ偏光光）に対する透過角度特性を示す。図３（ａ）、（ｂ）に示したグラフのＲ帯域の光の代表波長は６１０（ｎｍ）である。
【００１７】
図３（ａ）は第２の偏光ビームスプリッタ１９のＲ帯域光の非画像光（Ｐ偏光光）に対する反射角度特性を示す。横軸は光学膜面１９Ａに対する光線の入射角度（度）、縦軸はＰ偏光の反射率（％）を示す。反射率が高いほど漏れ光が増大し、コントラストが低下する。第２の偏光ビームスプリッタ１９の光学膜面１９Ａに対する入射角度が４５°からずれるほど反射率が増大するため、漏れ光が増大する。漏れ光とは、全画素が黒表示になるように駆動パネルを駆動したときに、一部投射レンズ側へ向かってしまう光のことである。言い換えれば、Ｒ液晶パネル２１から出射され、第２偏光ビームスプリッタ１９の光学膜面１９Ａを本来透過するはずのＰ偏光光のうち、反射されてしまう光である。
【００１８】
第２の偏光ビームスプリッタ１９を反射するＲ帯域光は、図中のｘ方向の入射角度の変化に比べｙ方向の入射角度の変化のほうが光学膜面１９Ａに対する入射角度変化が大きい。そのため、ｘ方向の入射角度の大きい入射光に対しても第２の偏光ビームスプリッタ１９は高い検光性能を得ることができる。
【００１９】
図３（ｂ）は合成プリズム２２に対するＲ帯域光のＳ偏光の透過角度特性を示す。横軸は光学膜面２２Ａに対する光線の入射角度（度）、縦軸はＰ偏光の反射率（％）を示す。
【００２０】
また、合成プリズム２２を透過するＲ帯域光は、図中のｙ方向の入射角度が変化した場合に比べｘ方向の入射角度の変化の方が光学膜面２２Ａに対する入射角度変化が大きい。そのため、ｙ方向の入射角度の大きい入射光に対しても合成プリズム２２は高い検光性能を得ることができる。
【００２１】
本実施形態の画像投射装置は、図３（ａ）、（ｂ）で示した偏光作用を有する光学膜面の特性を鑑みて、偏光ビームスプリッタ１９と合成プリズム２２が配置されている。つまり、偏光板等の光学素子により偏光度を高めるのではなく、各検光子（例えば、偏光ビームスプリッタ１９と合成プリズム２２）の検光性能が良い方向を互いに直交させて配置することにより、簡便な構成で高いコントラストを実現することが可能となった。
【００２２】
より具体的に言えば、Ｒ液晶パネル２１に入出射するｘ方向及びｙ方向の角度の大きい光線に対して高い検光性能得ることができるため、効率良くＲ帯域光の漏れ光を低減することができ、コントラストを向上させることができる。
【００２３】
その他の効果として、合成プリズム２２とダイクロイックミラー１１の配置方向を上下方向（ｙ方向）にずらして配置することができる。これにより、ｙ軸方向から見たときの光学素子同士の干渉を気にすることなく、各光学素子（例えば、合成プリズム２２とダイクロイックミラー１１）ｘｚ平面において近づけて配置できる。つまり、ｘｚ平面内に色分解合成光学系を構成する光学素子が配置する場合に比べ、各光学素子の配置間隔を狭めて配置することができる。これにより、液晶パネルから出射された光束の広がりがより少ない場所で各色光を合成することができるので、合成プリズム２２を小型化することができる。また、色分解合成光学系を全体的に小さくすることができるので投射レンズ８のバックフォーカスを短縮できる。
【００２４】
本実施形態ではＲ帯域光の漏れ光低減について説明したが、ＢおよびＧ帯域光の光路に関しても効率良く漏れ光を低減し、高いコントラストを得ることができる。
【００２５】
（実施形態２）
図４に本実施例の画像投射装置の色分解合成光学系を示す。図中の３０は色分解合成光学系、３１はダイクロイックミラー、３２は第１のミラー、３３は第１のフィールドレンズ、３４は第１の偏光ビームスプリッタ、３５はＧ液晶パネルである。３６は第２のミラー、３７は波長選択性位相板、３８は第２のフィールドレンズ、３９は第２の偏光ビームスプリッタ、４０はＢ液晶パネル、４１はＲ液晶パネル、４２は合成プリズム、４３は投射レンズを示す。色分解合成光学系３０は、ダイクロイックミラー３１から色合成作用を有する合成プリズム４２までの光学素子を有する光学系とする。合成プリズム４２は、Ｇ光を反射、Ｂ、Ｒ光を透過させる。ダイクロイックミラー３１と第１の偏光ビームスプリッタ３４との間に第１のミラー３２（第１の反射部）と、ダイクロイックミラー３１と第２の偏光ビームスプリッタ３９との間に第２のミラー３６（第２の反射部）が配置されている。第１のミラー３２と第２のミラー３６は、ダイクロイックミラー３１により分離された緑帯域の光（第１の色光）と赤及び青帯域の光（第２及び３の色光）が略平行な状態で−ｘ方向に反射する。−ｘ方向とは図のｘ軸の矢印方向とは逆の方向である。
【００２６】
光学膜面３４ＡとＧ液晶パネル３５の入出射面の法線に平行な断面をｘｙ断面とし、光学膜面３９ＡとＢ液晶パネル４０の入出射面の法線に平行な断面をｘｚ断面とし、光学膜面４２Ａと合成プリズム４２の出射面の法線に平行な断面をｙｚ断面とする。ｘｙ断面、ｘｚ断面及びｙｚ断面はお互いに直交した構成になっている。座標軸を図４の右下に示す。
【００２７】
実施形態２は、Ｇ液晶パネル３５の長辺３５Ｌがｘｙ断面に直交した１辺３４Ｌと垂直、Ｂ液晶パネル４０の長辺４０Ｌ及びＲ液晶パネル４１の長辺４１Ｌがｘｚ断面に直交した１辺３９Ｌに垂直に配置された構成である。
【００２８】
本発明は、偏光ビームスプリッタの入射角度特性を鑑み、２つの偏光ビームスプリッタの検光性能が良い方向を互いに直交させて配置することにより、高いコントラストを実現することが可能となった。また、偏光板等の光学素子を挿入する必要がないので、より簡便な構造の画像投射装置を提供することが可能となった。
【００２９】
その他の効果として、合成プリズム４２とダイクロイックミラー３１の配置方向を上下方向（ｘ方向）にずらして配置することができる。これにより、ｘ軸方向から見たときの光学素子同士の干渉を気にすることなく、各光学素子（例えば、合成プリズム４２とダイクロイックミラー３１）ｙｚ平面において近づけて配置できる。つまり、ｙｚ平面内に色分解合成光学系を構成する光学素子が配置する場合に比べ、各光学素子の配置間隔を狭めて配置することができる。これにより、液晶パネルから出射された光束の広がりがより少ない場所で各色光を合成することができるので、合成プリズムを小型化できる。また、色分解合成光学系を全体的に小さくすることができるので投射レンズ４３のバックフォーカスを短縮できる。
【符号の説明】
【００３０】
８  投射レンズ
１１  ダイクロイックミラー
１４  第１の偏光ビームスプリッタ
１５  Ｇ帯域用反射型液晶パネル
１９  第２の偏光ビームスプリッタ
２０  Ｂ帯域用反射型液晶パネル
２１  Ｒ帯域用反射型液晶パネル
２２  合成プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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