(57)【要約】【課題】光の利用効率を高めることができ、低コスト化と小型化を可能にした投射型画像表示装置を提供すること。【解決手段】第１色光を発する第１光源と第２色光を発する第２光源のそれぞれの背面に反射板、第１色光と第２色光のそれぞれの出射側に１／４波長板が設置される。さらにこの２色光が直交する方向から入射する位置に偏光ビームスプリッタが設置される。この偏光ビームスプリッタから出射する２方向のうち、一方の出射側に反射板が、そして、もう一方の出射側にはインテグレーター光学系が設置される。本発明は、以上のような構成を特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１色光を発する第１光源と、
第２色光を発する第２光源と、
第３色光を発する第３光源と、
前記第１、第２、第３光源の背面に配置された第１、第２、第３の反射板と、
前記第１、第２、第３光源の前記第１、第２、第３色光の出射側に配置された第１、第２、第３の１／４波長板と、
偏光分離面をもつ第１の偏光分離素子であって、
前記第１の偏光分離素子の有する偏光分離面に対し、
透過する偏光成分を第１の偏光成分、反射する偏光成分を第２の偏光成分とし、
前記第１の偏光分離素子は前記第１色光と前記第２色光が直交する方向から入射するように配置され、
前記第１の偏光分離素子の
前記第１色光の第１の偏光成分と第２色光の第２の偏光成分の出射側に配置され、
第１色光の第１の偏光成分と第２色光の第２の偏光成分の光束の強度分布を均一にする第１のインテグレーター光学系と、
前記第１の偏光分離素子の
前記第１色光の第２の偏光成分と第２色光の第１の偏光成分の出射側に配置された第４の反射板と、
前記第１の偏光成分を透過し、
前記第２の偏光方向を反射する偏光分離面を有し
前記第３色光が入射する第２の偏光分離素子と、
前記第２の偏光分離素子の
第３色光の第１の偏光成分乃至は第２の偏光成分の出射側に配置され、
第３色光の第１の偏光成分乃至は第２の偏光成分の光束の強度分布を均一にする第２のインテグレーター光学系と、
前記第２の偏光分離素子の
第３色光の第１の偏光成分乃至は第２の偏光成分の出射側に配置された第５の反射板とを
有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
前記第１、２、および３光源がＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
【請求項３】
前記１乃至は２色光が赤色帯域光乃至は青色帯域光であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型の画像表示装置に関するものであり、特に反射型液晶表示素子を用いた投射型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スクリーン上に画像を表示する装置として、光源からの出射光を液晶画像表示素子に照射し、画像信号として変調した光を拡大投射する投射型画像表示装置が知られている。
【０００３】
反射型液晶画像表示素子を用いた投射型画像表示装置の光源としては、高圧水銀ランプのような放電型の白色光源が使用されてきた。放電型のランプには、高輝度という利点があるが、高圧の電源回路を要するため、消費電力が大きく、また熱の発生が大きく、大がかりな冷却機構が必要である。
【０００４】
一方、近年ではＬＥＤ等の固体発光素子を単色光源として用いた投射型画像装置が提案されている。ＬＥＤ素子は、放電型の白色光源よりも、省電力、低発熱である。さらに、長寿命であり、コストパフォーマンスにも優れている。しかしながら、ＬＥＤ素子は輝度が低いという問題がある。
【０００５】
また、液晶画像表示素子は特定の直線偏光成分しか取り扱えないため、ランダム偏光では、利用効率が半分になる。そこで、ランダム偏光光の偏光方向を揃える偏光変換素子により、光の利用効率を高めている。一般的な偏光変換には、偏光ビームスプリッタ、１／２波長板、反射鏡を組み合わせた素子が利用されている。Ｐ偏光光は偏光ビームスプリッタを透過することで取り出し、Ｓ偏光光は偏光ビームスプリッタを反射、その隣に配置した反射鏡を反射後、１／２波長板を透過することで電場を９０度回転させ、Ｐ偏光光に変換して取り出すといった方法である。
【０００６】
ＬＥＤ等の固体発光素子を使用した例として、特許文献１は、光源に赤色光、緑色光、および青色光を発するＬＥＤ素子、各色光に対応した反射型液晶画像表示素子を使用した投射型画像表示素子を提案している。各色のＬＥＤ素子から発した色光は、各色用の偏光変換素子により偏光方向が揃えられた後、各色用のインテグレーター光学系により光の強度分布が均一化される。そして、各色光用に対応した反射型液晶表示を経て、ダイクロイックプリズムにより合成し、投影光学系にてスクリーン等に投影される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２７８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１で提案されたような光学系は、各色の偏光を揃える偏光変換素子と、各色光の強度分布を均一化するインテグレーター光学系が３つの色光それぞれに必要であり、コストの増大や、装置の大型化を招く。また、偏光ビームスプリッタ、１／２波長板、反射鏡により構成された偏光変換素子は、光束径が単純に２倍に増加してしまうため、光の利用効率の劣化を招く。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、光の利用効率を高め、低コスト化と小型化を可能にした投射型画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、第１色光を発する第１光源と第２色光を発する第２光源と 
第３色光を発する第３光源と、前記第１、第２、第３光源の背面に配置された第１、第２、第３の反射板と、前記第１、第２、第３光源の前記第１、第２、第３色光の出射側に配置された第１、第２、第３の１／４波長板と、偏光分離面をもつ第１の偏光分離素子であって、前記第１の偏光分離素子の有する偏光分離面に対し、透過する偏光成分を第１の偏光成分、反射する偏光成分を第２の偏光成分とし、前記第１の偏光分離素子は前記第１色光と前記第２色光が直交する方向から入射するように配置され、前記第１の偏光分離素子の前記第１色光の第１の偏光成分と第２色光の第２の偏光成分の出射側に配置され、第１色光の第１の偏光成分と第２色光の第２の偏光成分の光束の強度分布を均一にする第１のインテグレーター光学系と、前記第１の偏光分離素子の前記第１色光の第２の偏光成分と第２色光の第１の偏光成分の出射側に配置された第４の反射板と、 前記第１の偏光成分を透過し、前記第２の偏光方向を反射する偏光分離面を有し、前記第３色光が入射する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子の第３色光の第１の偏光成分乃至は第２の偏光成分の出射側に配置され、第３色光の第１の偏光成分乃至は第２の偏光成分の光束の強度分布を均一にする第２のインテグレーター光学系と、前記第２の偏光分離素子の第３色光の第１の偏光成分乃至は第２の偏光成分の出射側に配置された第５の反射板とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、異なる光源から発する３色光のうち２色光を、異なる偏光方向で、光の強度分布をひとつのインテグレーター光学系を用いて均一化することで、光の利用効率を高め、低コスト化と小型化を可能にした投射型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１である投射型画像表示装置の光学系構成概略図
【図２】光源から発した光が、偏光ビームスプリッタを出射するまでの偏光方向の変化を簡略的に示した図
【図３】本発明の実施例２である投射型画像表示装置の光学系構成概略図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
下に、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。ただし、本発明はこれらの記載に限定されるものではない。
【００１４】
１は本発明の投射型画像表示装置１００の構成概略図である。図1において、１ｒ、１ｂ、および１ｇは、第１色光を発する第１光源、第２色光を発する第２光源、第３色光を発する第３光源を示す。本実施例においては、第１色光を赤色光、第２色光を青色光、第３色光を緑色光とする。また、２ｒ、２ｂ、および２ｇは第１、第２、第３の反射板を示す。金属電極であるが、高反射率の金属を用いており、反射板の役割を担っている。３ｒ、３ｂ、および３ｇはコリメーターレンズであり、１ｒ、１ｂ、および１ｇから発した光を平行光にしている。
【００１５】
４ｒ、４ｂ、および４ｇは第１、第２、第３の１／４波長板を示す。１０、２０は第１、第２の偏光分離素子である。本実施例で使用する偏光分離素子は、透過する偏光成分を第１の偏光成分、反射する偏光成分を第２の偏光成分として偏光により透過反射を切り分ける偏光ビームスプリッタである。透過する第1の偏光成分をＰ偏光、反射する第２の偏光成分をＳ偏光とした構成となっている。この構成だと、偏光分離面に誘電体多層膜を施した偏光ビームスプリッタで実現が可能である。偏光ビームスプリッタ１０、および２０の１面には、第１の反射板である反射板１１、および第２の反射板である反射板２１を備える。
【００１６】
図２は、光源から発した光が偏光ビームスプリッタから出射するまでの偏光方向の変化を簡略的に示した図である。(a)が第１色光である赤色光、（ｂ）が第２色光である青色光を示す。図において、実線はランダム偏光光、破線はＰ偏光光、点線はＳ偏光光、１点鎖線は円偏光光を示す。
【００１７】
図２（ａ）において、赤色光源１ｒから発したランダム偏光光１Ｒｕはコリメーターレンズ３ｒで平行光ととなり、１／４波長板４ｒを透過後、偏光ビームスプリッタ１０に入射する。そして、偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面で、Ｐ偏光光１ＲｐとＳ偏光光１Ｒｓに分離する。透過したＰ偏光光１Ｒｐは、偏光ビームスプリッタ１０を出射するが、反射したＳ偏光光１Ｒｓは、反射板１１で反射し、再度、偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面で反射し、１／４波長板４ｒに入射する。１／４波長板により、Ｓ偏光光１Ｒｓは、円偏光光１Ｒｃとなる。その後、円偏光光１Ｒｃはコリメーターレンズ３ｒで集光後、赤色光源１ｒまで戻る。
【００１８】
赤色光源１ｒに戻った円偏光光１Ｒｃは、反射板２ｒで反射し、再びコリメーターレンズ３ｒに入射、平行光となり、１／４波長板４ｒに入射する。つまり、Ｓ偏光光１Ｒｓが、１／４波長板４ｒを２回透過したことと同じことなので、電場の振動方向が９０度回転し、Ｐ偏光光２Ｒｐとなる。そして、Ｐ偏光光２Ｒｐは偏光ビームスプリッタ１０の偏光分離面を透過し、出射する。よって、赤色光源１ｒから発したランダム偏光光１Ｒｕは、すべてＰ偏光光１Ｒｐと２Ｒｐの合成光である、赤色Ｐ偏光光Ｒｐとなって偏光ビームスプリッタ１０から出射する。
【００１９】
一方、図２（ｂ）において、青色光源１ｂから発したランダム偏光光１Ｂｕはコリメーターレンズ３ｂ、１／４波長板４ｂを経て、偏光ビームスプリッタ１０に入射し、Ｐ偏光光１ＢｐとＳ偏光光１Ｂｓに分離する。反射したＳ偏光光１Ｂｓは偏光ビームスプリッタ１０を出射するが、透過したＰ偏光光１Ｂｐは反射板１１により、もとの光路を逆に進み、青色光源１ｂに戻り、反射板２ｂで反射し、再度同じ光路を進むことになる。Ｐ偏光光１Ｂｐは、１／４波長板４ｂを１回透過した際に、円偏光光１Ｂｃとなり、もう１回透過する際に、Ｓ偏光光２Ｂｓとなる。偏光ビームスプリッタ１０に入射したＳ偏光光２Ｂｓは、偏光分離面で反射し、出射する。よって、青色光源１ｂから発したランダム偏光光１Ｂｕは、すべてＳ偏光光１Ｂｓと２Ｂｓの合成光である、青色Ｓ偏光光Ｂｓとなって偏光ビームスプリッタ１０から出射する。
【００２０】
図１において、ロッドインテグレーター光学系１２は第１のインテグレーター光学系を示す。偏光ビームスプリッタ１０を出射した赤色Ｐ偏光光Ｒｐと青色Ｓ偏光光Ｂｓは、ロッドインテグレーター光学系１２に入射し、強度分布が均一化される。
【００２１】
本実施例のような構成であれば、異なる光源から発する３色光のうち２色光を異なる偏光方向に揃えてからひとつのインテグレーター光学系を用いて均一化することができる。つまり、２つの光源に対し、インテグレーター光学系が一つでよく、低コスト化と小型化が可能となる。また、光源から発したランダム偏光光を、１／４波長板、偏光ビームスプリッタおよび反射板を使用することで光束径の増加なしに偏光方向を揃えることができ、光の利用効率を高めることができる。以下に、具体的な実施例を示す。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１である投射型画像表示装置１００の光学系の構成概略図の一例である。
【００２３】
先の述べたように、赤色光源１ｒと青色光１ｂから発した赤色光と青色光は、偏光ビームスプリッタ１０から出射する際にはそれぞれ、赤色Ｐ偏光光と青色Ｓ偏光光となっている。これら光は、ロッドインテグレーター光学系１２に入射する。ロッドインテグレーター光学系１２は、凸レンズ１３、ロッドレンズ１４および凸レンズ１５からなる。凸レンズ１３は、偏光ビームスプリッタ１０からの光を集光して、ロッドレンズ１４に導く。ロッドレンズ１４は入射した光を内面で多重反射することで、強度分布を均一化する。なお、ロッドレンズ１４は中実の柱状レンズでもよいし、内面を反射鏡で構成した中空の筒形上のものでもよい。そして、凸レンズ１５は、ロッドレンズ１４からの光を平行化し、赤色用反射型液晶表示素子５ｒおよび青色用反射型液晶表示素子５ｂを備えた偏光ビームスプリッタ３１に導く。
【００２４】
一方、緑色光源１ｇから発した緑色光は、コリメーターレンズ３ｇと１／４波長板４ｇを経て、反射板２１を備えた偏光ビームスプリッタ２０に入射する。緑色光の光路は、先に述べた赤色光の光路と同じ素子配置となっている。よって、ランダム偏光で出射した緑色光は、偏光ビームスプリッタ２０を出射する際は、緑色Ｐ偏光光となっている。緑色Ｐ偏光光は、第２のインテグレーター光学系であるロッドインテグレーター光学系２２に入射する。ロッドインテグレーター光学系２２は、凸レンズ２３、ロッドレンズ２４および凸レンズ２５からなる。ロッドインテグレーター光学系２２において、光の強度分布を均一化されたあと、緑色用反射型液晶表示素子５ｇを備えた偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ３１に入射した赤色Ｐ偏光光と青色Ｓ偏光光の合成光は、偏光方向の違いにより分離する。赤色Ｐ偏光光は赤用液晶画像表示素子５ｒに、青色Ｓ偏光光は青用液晶画像表示素子５ｒ入射する。一方、偏光ビームスプリッタ３２に入射した緑色Ｐ偏光光は偏光分離面を透過し、緑用液晶画像表示素子５ｇに入射する。
【００２６】
液晶画像表示素子に入射した光は、画像信号に応じて画素ごとに入射光の偏光方向を０から９０度の範囲で変換し、それぞれ各色の液晶画像表示素子を出射する。このとき、入射時の偏光方向と直交した偏光方向が画像光であり、投影光学系まで伝搬されることになる。つまり、赤色はＳ偏光光成分が、青色はＰ偏光成分が、緑色はＳ偏光成分が画像光となる。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ３１に入射した赤色画像光は、Ｓ偏光光であり、偏光分離面で反射する。青色画像光はＰ偏光光であり、偏光分離面で透過する。このように、赤色Ｓ偏光画像光と青色Ｐ偏光画像光は、再び合成され、偏光ビームスプリッタ３１を出射する。一方、偏光ビームスプリッタ３２に再び入射した緑色画像光はＳ偏光光であり、偏光分離面で反射し、偏光ビームスプリッタ３２を出射する。
【００２８】
偏光ビームスプリッタ３１を出射した赤色Ｓ偏光画像光と青色Ｐ偏光画像光の合成光は、赤色帯域の光の偏光方向を９０°変換する赤色帯域用波長選択性位相板３３に入射する。これにより、赤色Ｓ偏光画像光は赤色Ｐ偏光画像光となる。そして、偏光ビームスプリッタ３４に入射し、赤色Ｐ偏光画像光と青色Ｐ偏光画像光の合成光は偏光分離面を透過する。一方、偏光ビームスプリッタ３２を出射した緑色Ｓ偏光画像光は、偏光ビームスプリッタ３４に入射、偏光分離面を反射する。ここで、赤色Ｐ偏光画像光と青色Ｐ偏光画像光の合成光と、緑色Ｓ偏光画像光は合成光となり、偏光ビームスプリッタ３４を出射する。そして、投射光学系である投射レンズ３５によりスクリーンへ投影される。
【００２９】
実施例１では、赤色光源と青色光源から発する赤色光と青色光を異なる偏光方向に揃えてから、ロッドレンズを使用したロッドインテグレーター光学系を用いて光の強度分布を均一化している。２つの光源に対し、インテグレーター光学系が一つでよく、低コスト化と小型化が可能となる。
【実施例２】
【００３０】
図３は、本発明の実施例２である投射型画像表示装置２００の光学系の構成概略図の一例である。
【００３１】
実施例２は、第１、および第２のインテグレーター光学系にレンズアレイを使用したレンズインテグレーター光学系１６、および２６を使用している。
【００３２】
赤色光源１ｒと青色光源１ｂから発した赤色光と青色光は、実施例１と同様の偏光変換により、偏光ビームスプリッタ１０から赤色Ｐ偏光光と青色Ｓ偏光光となって出射し、第１のインテグレーター光学系であるレンズインテグレーター光学系１６に入射する。レンズインテグレーター光学系１６は、第１レンズアレイ１７、第２レンズアレイ１８、および重畳レンズ１９からなる。第１レンズアレイ１７は、入射光束を微小レンズの数だけ分割する。第２レンズアレイ１８は、第１レンズアレイ１７の微小レンズの像を液晶画像表示素子上に形成する。重畳レンズ１９は、第１レンズアレイの各微小レンズの主光線を液晶画像表示素子中心部に向けている。このようにして、レンズインテグレーター光学系１６は、赤色Ｐ偏光光および青色Ｓ偏光光の強度分布を均一化し、赤色用反射型液晶表示素子５ｒおよび青色用反射型液晶表示素子５ｂを備えた偏光ビームスプリッタ３１に導く。
【００３３】
一方、緑色光源１ｇから発した緑色光も、実施例１と同様な偏光変換により、偏光ビームスプリッタ２０を緑色Ｐ偏光光となって出射し、第２のインテグレーター光学系であるレンズインテグレーター光学系２６に入射する。レンズインテグレーター光学系２６は、第１レンズアレイ２７、第２レンズアレイ２８、および重畳レンズ２９からなる。レンズインテグレーター光学系２６に入射した緑色Ｐ偏光光は、光の強度分布を均一化されたあと、緑色用反射型液晶表示素子５ｇを備えた偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
【００３４】
レンズインテグレーター光学系１６を出射した赤色Ｐ偏光光および青色Ｓ偏光光、およびレンズインテグレーター光学系２６を出射した緑色Ｐ偏光光の光路と偏光変換については、実施例１と同様である。最終的には、赤色Ｐ偏光画像光と青色Ｐ偏光画像光の合成光と、緑色Ｓ偏光画像光の合成光が、投射光学系である投射レンズ３５によりスクリーンへ投影される。
【００３５】
実施例２では、赤色光源と青色光源から発する赤色光と青色光を異なる偏光方向に揃えてから、レンズアレイを使用したレンズインテグレーター光学系を用いて光の強度分布を均一化している。２つの光源に対し、インテグレーター光学系が一つでよく、低コスト化と小型化が可能となる。
【００３６】
本発明によれば、異なる光源から発する３色光のうち２色光を異なる偏光方向に揃えてからひとつのインテグレーター光学系を用いて均一化することで、光の利用効率を高めることができ、低コスト化と小型化を可能にした投射型画像表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１ｒ  赤色光源、１ｂ  青色光源、１ｇ  緑色光源、２ｒ，２ｂ，２ｇ  反射板、
３ｒ，３ｂ，３ｇ  コリメーターレンズ、４ｒ，４ｂ，４ｇ  １／４波長板、
５ｒ  赤色用液晶画像表示素子、５ｂ  青色用液晶画像表示素子、
５ｇ  緑色用液晶画像表示素子、
１０，２０，３１，３２，３４  偏光ビームスプリッタ、１１，２１  反射板、
１２，２２  ロッドインテグレーター光学系、
１３，１５，２３，２５  凸レンズ、１４，２４  ロッドレンズ、
１６，２６  レンズインテグレーター光学系、１７，１８，２７，２８  レンズアレイ、３３  赤色帯域波長選択性位相板、３５  投影レンズ、
１００，２００  本発明の実施例である投射型画像表示装置、
１Ｒｕ  赤色ランダム偏光光、１Ｒｓ  赤色Ｓ偏光光、
１Ｒｐ，２Ｒｐ，Ｒｐ  赤色Ｐ偏光光、１Ｒｃ  赤色円偏光光、
１Ｂｕ  青色ランダム偏光光、１Ｂｓ，２Ｂｓ，Ｂｓ  青色Ｓ偏光光、
１Ｒｐ  青色Ｐ偏光光、１Ｒｃ  青色円偏光光
【図１】
2015232672.tif 000003
【図２】
2015232672.tif 000004
【図３】
2015232672.tif 000005