(57)【要約】【課題】小型軽量であり、明るく、黒映像時の漏れ光によるコントラスト低下が無い反射型映像表示素子を用いた投射型映像表示装置を実現すること【解決手段】反射型映像表示素子に対する偏光子および検光子として同一の特定方向のみ格子作用を有すことにより偏光板として作用する反射型偏光板を用い、光路上、該反射型映像表示素子の直前、直後に該反射型偏光板が配置されている。【選択図】  図１
2004184889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する光源ユニットと、映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段である３枚の反射型映像表示素子と、前記光源ユニットからの光を３色光に色分離して各色光に対応する前記反射型映像表示素子へ入射する色分離系と、前記反射型映像表示素子からの３色光を合成する色合成系と、色合成した光学像を投射する投射手段で構成される投射型映像表示装置であって、
前記反射型映像表示素子に対する偏光子および検光子として回折作用により所定の偏光方向の第１の偏光光を反射し、該所定方向と略直交する偏光方向の第２の偏光光を透過する平板型の反射型偏光板と、
該反射型偏光板の出射側に前記第１の偏光光と前記第２の偏光光の何れか一方を透過する補助検光子とを有し、
前記色合成系は色合成プリズムにより構成され、
前記色分離系により分離された各色光は、前記反射型偏光板を介して前記反射型映像表示素子に入射し、前記反射型映像表示素子により形成された反射光の光学像は、前記反射型映像表示素子を介して前記色合成系に入射するように配置したことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項２】
光を放射する光源ユニットと、映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段である３枚の反射型映像表示素子と、前記光源ユニットからの光を３色光に色分離して各色光に対応する前記反射型映像表示素子へ入射する色分離系と、前記反射型映像表示素子からの３色光を合成する色合成系と、色合成した光学像を投射する投射手段で構成される投射型映像表示装置であって、
前記反射型映像表示素子に対する偏光子および検光子として回折作用により所定の偏光方向の第１の偏光光を反射し、該所定方向と略直交する偏光方向の第２の偏光光を透過する平板型の反射型偏光板と、
前記反射型偏光板の出射側に前記所定の偏光方向、或いは前記所定方向と略直交する偏光方向のいずれか一方の偏光光を透過する補助偏光子と、
前記反射型偏光板の出射側に、前記補助偏光子で透過する偏光方向とは異なる他の一方の偏光方向の偏光光を透過する補助検光子とを有し、
前記色合成系は色合成プリズムにより構成され、
前記色分離系により分離された各色光は、前記反射型偏光板を介して前記反射型映像表示素子に入射し、前記反射型映像表示素子により形成された反射光の光学像は、前記反射型映像表示素子を介して前記色合成系に入射するように配置したことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項３】
前記反射型偏光板の入射側に、前記所定の偏光方向、或いは前記所定方向と略直交する偏光方向のいずれか一方の偏光光を反射し、他の一方の偏光光を透過する偏光分離プリズムを配置したことを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。
【請求項４】
前記補助検光子のコントラストが前記補助偏光子のコントラストより高いことを特徴とする請求項２に記載の投射型映像表示装置。
【請求項５】
前記反射型偏光板は反射面側を基準に保持されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項６】
前記反射型偏光板は略長方形の形状を有し、短辺側が光軸に対して略４５度傾斜していることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項７】
前記反射型偏光板３枚の反射面の面形状が、所定の一枚を基準にして、±３（λ／インチ）以内であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項８】
前記反射型偏光板、該反射型映像表示素子及び該補助検光子が密閉構造の内部、もしくは、その境界にあることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項９】
冷却ファンを有し、該冷却ファンからの前記補助偏光子への冷却風の風量を、前記補助検光子への風量よりも大とするを特徴とする請求項２に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１０】
前記反射型液晶表示素子は画素中心から見て、非対象な構像物上に配置され、クロスダイクロイックプリズムに近い方に画素中心から見て、構造物の長さが短い方が来るように配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１１】
前記３枚の反射型映像表示素子の反射面の光軸が略同一方向を向いていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１２】
前記３枚の反射型映像表示素子の反射面が、所定の一枚を基準にして高さが略同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１３】
前記３枚の該反射型映像表示素子の反射面の光軸が該色合成プリズムの各色光の入射面の光軸と直交し、
両者の光軸の略直交する位置の近傍に、各々の光軸に略４５度傾斜させて前記反射型偏光板が配置してあることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１４】
前記３色の色光はＲ、Ｇ、Ｂの各色光であって、Ｂ光路に配置された前記反射型偏光板のコントラストを他の色光の光路に配置された前記反射型偏光板よりも大としたことを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１５】
前記補助検光子が離間配置された２枚の補助検光子により構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１６】
前記３色の色光はＲ、Ｇ、Ｂの各色光であって、Ｂ光路に配置された前記反射型偏光板がＲ光路に配置された前記反射型偏光板より回折ピッチが短いことを特徴とする請求項１乃至請求項１５の何れか１項に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１７】
光を放射する光源ユニットと、映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段である３枚の反射型映像表示素子と、前記光源ユニットからの光を３色光に色分離して各色光に対応する前記反射型映像表示素子へ入射する色分離系と、前記反射型映像表示素子からの３色光を合成する色合成系と、色合成した光学像を投射する投射手段で構成される投射型映像表示装置であって、
前記反射型映像表示素子に対する偏光子および検光子として回折作用により所定の偏光方向の第１の偏光光を反射し、該所定方向と略直交する偏光方向の第２の偏光光を透過する平板型の反射型偏光板と、
該反射型偏光板の出射側に前記第１の偏光光と前期第２の偏光光の何れか一方を透過する補助検光子と、
前記色合成系と前記投射手段の間に配置した１／４波長板と、
前記色合成系と前記反射型映像表示素子との間に配置した、略直線偏光光の位相を略９０度回転させる１／２波長板とを有し、
前記色合成系は色合成プリズムにより構成され、
前記色分離系により分離された各色光は、前記反射型偏光板を介して前記反射型映像表示素子に入射し、前記反射型映像表示素子により形成された反射光の光学像は、前記反射型映像表示素子を介して前記色合成系に入射するように配置し、
光路となる前記色合成プリズムの３個の入射面に前記補助検光子を貼り付け、１個の出射面に１／４波長板を貼り付けるように構成したことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項１８】
前記補助検光子は、透過すべき偏光方向の偏光光以外の偏光方向の成分を吸収する作用を有し、
前記プリズムと前記投射手段の間に前記１／４波長板を配置し、前記１／４波長板の遅相軸が、前記補助検光子の吸収軸に対して略４０〜５０度、もしくは、略−４０〜−５０度傾斜していることを特徴とする請求項１７に記載の投射型映像表示装置。
【請求項１９】
前記補助偏光子のコントラストをＡ、前記補助検光子のコントラストをＤ、前記反射型偏光板の透過のコントラストをＢ、前記反射型偏光板の反射のコントラストをＣとしたとき、
Ａ＊Ｂ＝（０．１〜１０）＊Ｃ＊Ｄを満たすことを特徴とする請求項２に記載の投射型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶パネルを使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、反射型液晶プロジェクタや、反射型液晶リアプロジェクタ等の投射式映像表示装置および投射式映像表示装置用の光学ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源からの光をライトバルブ素子で画素毎に濃淡を変えて制御し、スクリーンなどに投射するプロジェクタが知られている。ライトバルブ素子としては透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、マイクロミラーパネルなどがあるが、反射型液晶パネルは開口率が高いため、高輝度と高解像度を両立できる点、光の濃淡の制御がメカ的な動作によらないため長寿命である点などが優れている。
【０００３】
反射型液晶パネルを用いた反射型液晶プロジェクタの光学ユニットについて以下に説明する。光源から出射した無偏光光は偏光変換素子にて直線偏光に変換されて偏光子に入射する。偏光子は特定方向の偏光成分のみを透過しそれに直交する成分を吸収（または反射）させることができるので、偏光子への入射光は偏光子にて不要な偏光成分を除去された後に反射型液晶パネルに入射する。反射型液晶パネルに入射した光は反射型液晶パネルにより映像信号に応じて画素毎に偏光状態を変調される。反射型液晶パネルにより反射された光は検光子に入射する。検光子も特定方向の偏光成分のみを透過しそれに直交する成分を吸収（または反射）させることができるため各画素からの出射光の偏光状態により検光子を透過あるいは反射する光量が決まる。このようにして得られた映像を投射レンズにより拡大投射する。
【０００４】
一般に偏光子および検光子には偏光ビームスプリッタプリズム（以後ＰＢＳプリズムという）が用いられている。ＰＢＳプリズムは誘電体多層膜面を備えておりその膜面（以後ＰＢＳ膜という）によりＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する。したがってＰＢＳプリズムをＰＢＳ膜が反射型液晶パネルに対して４５°となるように配置すれば反射型液晶パネルへの入射光の光軸と反射型液晶パネルからの反射光の光軸を一致させることが可能であり小型の反射型液晶プロジェクタの実現に有利である。
【０００５】
検光子としてＰＢＳプリズムを用いた反射型液晶プロジェクタは例えば特開２００１−１４２０２８号公報で紹介されている。この公報の構成では黒映像表示時のＰＢＳプリズムからの漏れ光が以下の原理で発生する。ＰＢＳ膜に対するＳ偏光およびＰ偏光は入射光線の角度に応じて決まるため、光軸とＰＢＳ膜の法線を含む主入射面に平行である光線がＰＢＳプリズムを透過あるいは反射する際のＳ偏光方向およびＰ偏光方向とその光線が反射型液晶パネル（黒表示時は偏光変調しない）により反射されＰＢＳプリズムに再入射する際のＳ偏光方向およびＰ偏光方向は一致している。これに対して、主入射面に平行でない光線がＰＢＳプリズムを透過あるいは反射する際のＳ偏光方向およびＰ偏光方向とその光線が反射型液晶パネルにより反射されＰＢＳプリズムに再入射する際のＳ偏光方向およびＰ偏光方向は異なる。しかしＰＢＳプリズムを透過あるいは反射した後の光線の偏光方向は再入射時にも維持されるため、主入射面に平行である光線は再入射時に完全に透過あるいは反射するが、主入射面に平行でない光線はその偏光のＳ偏光成分は反射されＰ偏光成分は透過する。このために主入射面に平行でない光線は漏れ光を生じ黒映像時の光漏れ、すなわちコントラスト低下の要因となる。このコントラスト低下を防ぐためにＰＢＳプリズムと反射型液晶パネルの間に１／４波長板をその遅相軸あるいは進相軸が主入射面に平行となるように配置する。ＰＢＳプリズムを透過あるいは反射した光線は反射型液晶パネルで反射されＰＢＳプリズムに再入射する間に１／４波長板を２回透過するため１／２波長板を透過することと等価になる。したがって主入射面に平行でない光線がＰＢＳプリズム入射後に透過したＰ偏光あるいは反射したＳ偏光は１／４波長板によって偏光回転され、ＰＢＳプリズム再入射時にはＰ偏光あるいはＳ偏光となり完全に透過あるいは反射するため、漏れ光が生じずコントラスト低下を防ぐことができる。
【０００６】
また、投射レンズとクロスダイクロプリズムの間にλ／４板を入れてコントラストを向上させる方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２５１１５０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記文献のように反射型液晶パネルに対する偏光子および検光子としてＰＢＳプリズムを用いた構成において、コントラスト低下防止のために１／４波長板を用いた場合でもその効果は完全ではない。波長板は透過する光の偏光方向により屈折率の異なるという複屈折性を有す透明材質によって作られており、遅相軸方向は最も屈折率の高い方向であり進相軸方向は最も屈折率の低い方向である。１／４波長板はその波長板に垂直な光線が入射した場合の遅相軸と進相軸の屈折率差とその光線が波長板を透過する距離（１／４波長板厚）の積（位相差）が設計中心波長の１／４となるように設計される。このため、波長板は波長特性および角度特性を有し、入射光線が設計中心波長から離れれば離れるほど、また入射角が大きくなれば大きくなるほどその機能は低下する。このために反射型液晶パネルの偏光子および検光子としてＰＢＳプリズムを用いた場合の斜め入射光の漏れ光防止として１／４波長板を用いても、斜め入射光の漏れ光は完全には防止できずコントラストは低下してしまう。この漏れ光のスクリーンへの投射を防ごうとしてＰＢＳプリズムと投射レンズの間などに偏光板を配置してもこの漏れ光はそのほとんどが偏光板の透過軸方向と同じ偏光成分であるため、防ぐことができない。
【０００９】
またＰＢＳプリズムを用いると重量の点で不利となる。さらにＰＢＳプリズムには光線が硝材を透過する際の偏光の乱れに起因する漏れ光によってコントラストが低下しないように光弾性係数の低い硝材を用いる必要がある。そのような硝材は比重が大きいため特に重く、また流通量が少ないため高コストである。また重量低減のためにＰＢＳ膜を透明平行平板上に形成した場合には一般的にＰＢＳ膜の設計が難しくなり高性能なＰＢＳ膜は実現しにくいため高輝度および高コントラストが実現しにくい。これを避けるために２枚の透明平行平板間に形成した場合は非点収差が生じ解像度が低下してしまうため、解像度低下防止のために補整部品が必要となる。
【００１０】
本発明の課題は上記の問題点を解決し、小型軽量で明るさ、コントラスト、解像度等の画質性能が良好な反射型映像表示素子を用いた投射型映像表示装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願は、光を放射する光源ユニットと、映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段である３枚の反射型映像表示素子と、前記光源ユニットからの光を３色光に色分離して各色光に対応する前記反射型映像表示素子へ入射する色分離系と、前記反射型映像表示素子からの３色光を合成する色合成系と、色合成した光学像を投射する投射手段で構成される投射型映像表示装置であって、前記反射型映像表示素子に対する偏光子および検光子として回折作用により所定の偏光方向の第１の偏光光を反射し、該所定方向と略直交する偏光方向の第２の偏光光を透過する平板型の反射型偏光板と、該反射型偏光板の出射側に前記第１の偏光光と前期第２の偏光光の何れか一方を透過する補助検光子とを有し、前記色合成系は色合成プリズムにより構成され、前記色分離系により分離された各色光は、前記反射型偏光板を介して前記反射型映像表示素子に入射し、前記反射型映像表示素子により形成された反射光の光学像は、前記反射型映像表示素子を介して前記色合成系に入射するように配置するように構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明による反射型液晶プロジェクタ用光学ユニットの１実施形態を示す図である。
【００１４】
投射型映像表示装置２２には光源１ａを有する光源ユニット１があり、光源１ａは、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源１の電球１ａから放射される光は楕円面または放物面または非球面のリフレクタ１ｂにて集光されて反射される。電球１ａからの発熱により、光源１は、高温となるため、後方に配置した冷却ファン４０により、これを冷却している。
【００１５】
このリフレクタ１ｂの出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた複数の集光レンズにより構成され、ランプユニットから出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズ３２に入射し、さらに複数の集光レンズにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、かつ反射型液晶パネル１０に第一のアレイレンズ３２の個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズ３３を透過する。
【００１６】
後段で、反射型映像表示素子へ照射するために、光路を上下方向に折り曲げるために、第一のアレイレンズ３２及び第二のアレイレンズ３３は縦長セルを有している。この出射光は第二のアレイレンズ３３の各々のレンズ光軸の縦方向のピッチに適合するように配置された各々のレンズ幅の略１／２サイズの菱形プリズムの列により構成される偏光変換素子３１へ入射する。
【００１７】
このプリズム面には偏光分離膜が施されており、入射光は、この偏光分離膜にてＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光分離膜を透過して、出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光分離膜により反射され、隣接する菱形プリズム内で本来の光軸方向にもう一度反射してから、このプリズムの出射面に設けられたλ／２位相差板により、偏光方向が９０°回転され、Ｐ偏光光に変換され出射される。即ち、偏光変換素子３１からはＰ偏光の光が出射される。コリメータレンズ３４は、正の屈折力を有し、光を集光させる作用を持ち、光は、各色ＲＧＢ３枚の反射型液晶パネル１１を照射する。
【００１８】
本構成は、２段構成となっていて、ＲＢ透過Ｇ反射ダイクロイックミラ−３６にて色分離した後、Ｇ光は白色反射ミラー５にて上方向に反射される。Ｒ透過Ｂ反射ダイクロイックミラ−３７はＢ光を透過し、Ｒ光を上方向に反射してＲＢ光を色分離する。Ｂ光は結像レンズ群４を経由して反射ミラー５にて、これも、上方向に反射される。
【００１９】
このようにして、３色の光路に分離された光は、各々、コントラストを向上するために配置されたＲ用補助偏光子（図示せず）、Ｇ用補助偏光子９２、Ｂ用補助偏光子９３を透過し、Ｒ用反射型偏光板（偏光分離素子）１０１、Ｇ用反射型偏光板（偏光分離素子）１０２、Ｂ用反射型偏光板（偏光分離素子）１０３を透過して、Ｒ用反射型液晶パネル１１１、Ｇ用反射型液晶パネル１１２、Ｂ用反射型液晶パネル１１３に入射する。
【００２０】
反射型偏光板１０は略長方形の形状を有し、短辺側が光軸に対して略４５度傾斜している構成となる。こうすることにより、反射型液晶パネル１０から反射型偏光板１１までの距離を短くでき、投射レンズのバックフォーカスを短くできる。これにより、投射レンズの収差を改善できる。
【００２１】
反射型液晶パネル１１は、表示する画素に対応する（例えば横１９００画素縦１０８０画素各３色など）数のアスペクト比１６：９の液晶表示部が設けてある。そして、外部より駆動される信号に従って、パネル１１の各画素の偏光の位相角度が変わり、偏光方向の一致した光が反射型偏光板及び補助検光子にて検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、反射型偏光板及び補助検光子の偏光度との関係で、検光される量が決まる。このようにして、外部より入力する信号に従った映像を表示する。この時、反射型液晶パネル１１が黒表示を行う場合に、偏光方向は入射光と略同等であり、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。
【００２２】
各光路にて、反射型液晶パネル１１の反射面の光軸がクロスダイクロイックプリズム１４の各色光の入射面の光軸と直交し、両者の光軸の略直交する位置の近傍に、各々の光軸に略４５度傾斜させて反射型偏光板１０が配置してある。このように構成することにより、クロスダイクロイックプリズム１４の各色光の光路に配置される各部品が、クロスダイクロイックプリズム１４の入射面からみて、反射型偏光板から補助検光子までの光学部品の配置構成が各光路で対称をなし略同等である。結像の観点から、各パネル１１から投射レンズ１５までの光路長は、各光路で略等しくする必要があるので、このように対称に配置することにより、互いの部品の干渉、及び光路の干渉を最小限に抑えることができ、設計が容易である。また、このように対称に配置することにより、空間をより効率良く使用でき、サイズを小さくできる。
【００２３】
Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの反射型液晶パネルにより反射された光はそれぞれＲ用反射型偏光板１０１、Ｇ用反射型偏光板１０２、Ｂ用反射型偏光板１０３により反射されて光線の方向を略９０°曲げられ、それぞれＲ用補助検光子１２１、Ｇ用補助検光子１２２、Ｂ用補助検光子１２３を透過し、ＧはＧ用１／２波長板１３を透過してＰ偏光光に変換され、Ｒ、Ｇ、Ｂともクロスダイクロイックプリズム１４に入射する。
【００２４】
本実施例では、３枚の反射型液晶パネル１１の反射面の光軸が同一方向を向いていて、３枚の反射面が、ある一枚を基準にして略同一の高さに配置してある。この構成とすることにより、３枚のパネル１１の画素の位置合わせの調整作業及び調整終了後にパネル１１を保持部品に固着する作業が全て同一方向からのジグでできるので、該作業がより容易になり、作業時間の短縮、ひいては、低コスト化が可能である。また、ジグに回転機構を取り付ければ、全てのパネル１１を同一のジグを用いて調整可能であり、ジグの設計、作成コストの低減が可能である。
【００２５】
また、反射型液晶パネルは、裏面側に光路がないので、裏面に放熱板を取り付けて冷却できる。本構成を取れば、上面側に冷却ファン（図示せず）を１個配置するだけで、３枚の反射型液晶パネルを上面側より効率良く冷却できる。
【００２６】
本実施例では、３枚の反射型液晶パネル１１が、クロスダイクロイックプリズム１４の光路に使用されない上面側に配置してあり、反射型液晶パネル１１の高さは、クロスダイクロイックプリズム１４の上面より上側に配置してある。あるいは、他の実施例として、３枚の反射型液晶パネル１１が、クロスダイクロイックプリズム１４の光路に使用されない下面側に配置してあり、反射型液晶パネル１１が、クロスダイクロイックプリズム１４の下面より下側に配置してあってもよい。このように構成することにより、パネル１１やパネル保持部材とクロスダイクロイックプリズム１４との干渉を防止できるので、光学エンジンのサイズを小さくすることができる。
【００２７】
本実施例では、反射型偏光板１０は、構造シャーシに３点突出部を設け、反射面側をそこに押し当てて、反対方向から板バネ等で力を付与して、固定保持されている。パネル出射後に反射する反射型偏光板１０の反射面の傾きは、スクリーン上の位置に影響するので、厳密に管理する必要がある。構造シャーシは型で作成するので、量産品においてこの３点突出部の位置及び形状を精度良く管理することが容易である。この３点突出部に直接、反射面側を押し当てて保持することにより、量産品での反射面の傾きを精度良く、管理できる。
【００２８】
本実施例では、Ｒ、Ｇ、Ｂ用の反射型偏光板１０１、１０２、１０３の表面形状を、ある一枚を基準にして、±３（λ／インチ）以内としている。これは、光が反射型液晶パネル１１を出射した後、反射型偏光板１０を反射するので、反射型偏光板が凹型、あるいは凸型の形状を有した場合、反射型偏光板がレンズ効果を有し、スクリーン上での結像性能に影響を及ぼす。よって、反射型偏光板１０の表面形状を管理する必要がある。特に３枚のパネルを用いる本方式では、ある一枚を基準にして、相互の表面形状のずれを抑えることが、結像性能の確保のためには肝要である。図２に反射型偏光板の表面形状と各画素のコンバーずれ関係を光線追跡のシミュレーションにより求めた結果を示す。これより、各画素のコンバーずれを０．３画素以内に抑えるには、±４（λ／インチ）以内に抑えるべきことがわかる。このずれ量に関しては、±３（λ／インチ）以内が好ましく、画質劣下に影響を与えない範囲である±４（λ／インチ）以内が必要となる。表面形状の平面からのずれは、投射レンズのピントの調整機能で、ある程度、補正できる。例えば、他の実施例として、容易に部品管理及び選定する方法として、反射型偏光板は３枚全て反射面側が凸型となっている。あるいは、反射面側が３枚全て、凹型としても有効である。
【００２９】
また、一般的に結像性能の色倍率収差は波長に依存するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの順に良くなるか、悪くなるかのどちらかである。即ち、Ｇが中心値を取る。よって、Ｇ用を基準として採用し、相互の間のずれをニュートン±３λ以内に抑えることは有効である。
【００３０】
本実施例で用いている補助偏光子９、反射型偏光板１０、補助検光子１２のコントラストと透過率はトレードオフの関係にある。即ち、コントラストを向上させると透過率が劣化し、透過率を向上させるとコントラストが劣化する。よって、これを投射型映像表示装置の性能として見ると、コントラストと明るさがトレードオフの関係にあることを意味する。
【００３１】
本実施例では、コントラスト確保のために単一の部品を用いるわけではなく、補助偏光子９、反射型偏光板１０、補助検光子１２と複数の部品を用いる。以下の法則に則って上記光学部品の性能の組合せを行うことが、投射型映像表示装置の高効率、高コントラストを確保するためには、有効である。
【００３２】
光学系のコントラストは下記で求められる。
【００３３】
１／（光学系のコントラスト）＝１／（パネル入射側の光学系コントラスト）＋１／（パネル出射側の光学系コントラスト）
これより分かることは、パネル入射側の光学系コントラストのみ良くしても、あるいは、出射側のみ良くしても、効率的でないということである。入射側と出射側のコントラストのバランスをとることが、明るさもコントラストも最適に持っていく方法である。
【００３４】
光学系コントラストは、各部品の積で求められる。即ち、補助偏光子のコントラストをＡ、補助検光子のコントラストをＤ、反射型偏光板の透過のコントラストをＢ、反射型偏光板の反射のコントラストをＣとすると、入射側の光学系コントラストはＡ＊Ｂ、出射側の光学系コントラストはＣ＊Ｄで求められる。よって、両者をバランスよくするために、Ａ＊Ｂ＝（０．１〜１０）＊Ｃ＊Ｄの式を満たす補助偏光子、補助検光子、反射型偏光板を用いればよい。補助偏光子、もしくは、補助検光子を用いない場合はコントラストとして１を代入して、上式を満たせばよい。
【００３５】
図３（ａ）に補助偏光子及び補助検光子に用いる吸収型偏光板のコントラストの測定方法を示す。測定用光源５０から光を出射する。光源５０後に開口を設けることによる測定物に入射する光の広がりは略Ｆ２０である。その後に、測定用偏光板５１を、Ｐ偏光が透過するように透過軸を合わせて配置する。その後に、測定物を配置して測定する。光は、測定物を透過して測定用受光器５２に入射し、これにより、透過してきた光の明るさが測定できる。吸収型偏光板の透過軸をＳ偏光透過とＰ偏光透過の２つのモードで測定し、各回転角で、両者の測定値の比をとってコントラストを求める。測定された透過率の分光分布に視感度を掛け合わせることにより、明るさが求まる。即ち、透過率Ｔ（λ）、視感度Ａ（λ）とすると、明るさは、理論的には、使用波長域でのＴ（λ）＊Ａ（λ）の波長積分∫Ｔ（λ）＊Ａ（λ）ｄλで求められる。実際の測定値では、透過率Ｔ（λ）は、断続的な値を取るので、明るさは使用波長域でのＴ（λ）＊Ａ（λ）の総和により求める。反射の場合は、透過率Ｔ（λ）の代わりに反射率Ｒ（λ）を用いればよい。
【００３６】
吸収型偏光板をＰ偏光透過で配置した場合、コントラストは（Ｐ偏光の明るさ）／（Ｓ偏光の明るさ）で、Ｓ偏光透過で配置した場合、コントラストは（Ｓ偏光の明るさ）／（Ｐ偏光の明るさ）で、求められる。
【００３７】
図３（ｂ）に反射型偏光板のコントラスト測定方法を示す。反射型偏光板については、透過軸をＰ偏光に合わせて、光軸に対して４５度傾斜させて配置する。Ｓ偏光入射時とＰ偏光入射時で、透過と反射で明るさを測定する。Ｐ偏光に透過軸を合わせて配置しているので、コントラストは透過では（Ｐ偏光の明るさ）／（Ｓ偏光の明るさ）で、反射では（Ｓ偏光の反射率）／（Ｐ偏光の反射率）で求める。
【００３８】
ここで、一般的に反射型偏光板のコントラストは、Ｐ偏光の透過の方が、Ｓ偏光の反射より良い。よって、上記関係より、補助検光子のコントラストが、補助偏光子のコントラストより高い組合せ構成にすると、高効率、高コントラスト可能である。上記関係は、言い換えれば、補助検光子の透過率が、補助偏光子の透過率より低い組合せ構成にすると、高効率、高コントラスト可能である。
【００３９】
図４（ａ）に示すように反射型液晶パネル１１の表示部はその表示部の中心ａから見て、非対象な構造物１１ｂにて保持されている。図４（ｂ）に反射型液晶パネルとクロスダイクロイックプリズム１４の近傍の上面図を示す。反射型液晶パネル１１は、クロスダイクロイックプリズム１４に近い側に、表示部中心１１ａから見て、構造物１１ｂの長さの短い方が来るように配置されている。即ち、中心基準に見て、Ｗ１＞Ｗ２であり、Ｗ２の方をクロスダイクロイックプリズム側に配置する。本構成により、反射型液晶パネル１１を、クロスダイクロイックプリズム１４のより近くに配置できるので、装置のサイズの小型化、また、反射型液晶パネル１１からクロスダイクロイックプリズム１４までの距離を短くすることができるので、投射レンズ１５のバックフォーカスを短くでき、収差の改善が可能である。
【００４０】
第２の実施例を図５を用いて説明する。下記以外は、図１の実施例と同じである。反射型偏光板の入射側に、略直線偏光であるＳ偏光を反射し、それと略直交する略直線偏光であるＰ偏光を透過する偏光分離プリズム３８を配置する。偏光分離プリズム３８を用いると、フィルム製の補助偏光子９と異なり、耐熱性が高くなり、冷却ファンでの冷却が不用となるので、騒音をより小さくできる。
第３の実施例を図６を用いて説明する。
【００４１】
第１のアレイレンズ及び第２のアレイレンズが横長のセルを有し、偏光変換素子３１が縦方向のピッチに適合するように配置されていること及び反射ミラー５で光路を略９０度折り曲げられること以外は、光源１からコリメータレンズ３４までの構成は、図１の実施例と同じである。
【００４２】
ダイクロイックミラー６、７によってＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）に色分離された後、ＢはＢ反射ミラー１７により光線の方向を９０°曲げられ、それぞれＲ用補助偏光子９１、Ｇ用補助偏光子９２、Ｂ用補助偏光子９３およびＲ用反射型偏光板１０１、Ｇ用反射型偏光板１０２、Ｂ用反射型偏光板１０３を透過しＲ、Ｇ、Ｂに対応するＲ用反射型液晶パネル１１１、Ｇ用反射型液晶パネル１１２、Ｂ用反射型液晶パネル１１３に入射する。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの反射型液晶パネルにより反射された光はそれぞれＲ用反射型偏光板１０１、Ｇ用反射型偏光板１０２、Ｂ用反射型偏光板１０３により反射されて光線の方向を９０°曲げられ、それぞれＲ用補助検光子１２１、Ｇ用補助検光子１２２、Ｂ用補助検光子１２３を透過し、ＧはＧ用１／２波長板１３を透過してＰ偏光光に変換され、Ｒ、Ｇ、Ｂともクロスダイクロイックプリズム１４に入射する。Ｒ、Ｇ、Ｂはクロスダイクロイックプリズム１４によって白色に合成され、投射レンズ１５によってスクリーンに拡大投射される。
【００４３】
反射型液晶パネルの直前には視野角補償位相差板４１が配置され、斜め光のコントラストを向上させている。ラビングを施した反射型液晶パネル４１においては電力印加時でも、配向膜付近の液晶層が垂直にならず、そのために、斜めからの入射光にてコントラストが劣化する課題があった。これに対して、視野角補償位相差板４１は、それの有する液晶層が略反転する構成を有するため、反射型液晶パネルにて発生した位相差を打ち消すことができる。これにより、斜め光のコントラストを改善でき、コントラストを向上させることができる。
【００４４】
次に反射型偏光板について説明する。通常の偏光板（偏光フィルム）は整列した二色性分子によりその作用を果たし、分子の配列方向に直交する偏光を透過し、分子の配列方向に平行な偏光を吸収する。そして特定方向のみ格子作用を有すことにより偏光板として作用する反射型偏光板は格子方向に平行な偏光を反射し、格子方向に直行する偏光を透過する。したがって基本的な偏光特性は両偏光板に差は無い。例えば偏光板の透過軸と偏光板の法線を含む面内および偏光板の吸収軸あるいは反射軸と偏光板の法線を含む面内のどの光線に対してもコントラストはほぼ同等であるなどの特性は両偏光板に共通の特性である。
【００４５】
したがって、本構成ではパネル直前直後にＰＢＳプリズムを用いた構成における斜め光の漏れ光が発生しないので、１／４波長板のような部品を追加することなく高コントラストが可能である。またＰＢＳプリズムからの漏れ光はそのほとんどが偏光板の透過軸方向と同じ偏光成分であるため投射レンズと反射型液晶パネルの間などに偏光フィルム（検光子）を配置しても漏れ光を防ぐことができないのに対して、反射型偏光板を用いた場合の漏れ光は反射型偏光板のコントラスト不足による場合が多く、そのような場合には補助偏光子および補助検光子を用いることで漏れ光の大半を防ぐことができるため高コントラスト化が可能である。
【００４６】
例えば反射型液晶パネルに入射する光束がＦ２．５の場合の光学ユニットだけのコントラスト（反射型液晶パネルをミラーに置き換えて測定）はＰＢＳプリズムを用いた場合が５００から１０００であるのに対して、反射型偏光板を用いた場合では５０００から１００００となる。また本構成においては反射型偏光板の反射面が反射型液晶パネル側にあり、反射型液晶パネルより反射された光は反射型偏光板の基板である透明平行平板を透過しない。したがって非点収差を生じることがないので解像度の低下が生じない。また、本構成ではプリズムはクロスダイクロイックプリズムしか用いていないため透過型プロジェクタ用の光学ユニットと同等の重量が実現できる。
【００４７】
冷却ファン４０により、補助偏光子９、反射型偏光板１０、反射型液晶パネル１１、補助検光子１２が冷却される。補助偏光子９と補助検光子１２は共に、吸収型のフィルム材のものを用いているので約７０度以下に冷却する必要がある。黒表示時に補助検光子１２に入射する不要光は、その入射側に位置する反射型偏光板１０で一度カットされた光が入射するため、これにて吸収される不要光は少ない。それに比べ、補助偏光子９は、不要光を含んだ光が直接入射するため、吸収される不要光が多く、よって、発熱量も多い。よって、補助偏光子９は補助検光子１２より強く冷却する必要があり、冷却ファンによって送られる風は、補助偏光子９に対してより、補助検光子１２に対しての方が強い。
【００４８】
クロスダイクロイックプリズム１４の出射面に出射側１／４波長板３５を貼り合わせてある。出射側１／４波長板３５は、合成光路に配置されるので、広帯域用のものを用いればよい。出射側１／４波長板３５の遅相軸３５ａが、該補助検光子１２の吸収軸１２ａに対する角度θが略４０〜５０度、もしくは、略−４０〜−５０度の範囲に設定して用いる。本実施例では略４５度に設定してある。補助偏光子９及び反射型偏光板１０のコントラストが不十分で反射型液晶パネル１１に入射するコントラストが低い場合、あるいは、黒表示時の反射型液晶パネル１１での位相差の付与が完全でない場合、黒表示時の反射型液晶パネル１１からの出射光に、反射型偏光板１０及び補助検光子１２にてカットできないＳ偏光も含まれる。Ｓ偏光は、反射型偏光板１０及び補助検光子１２を透過し、投射レンズ１５に入射する。投射レンズ１５はレンズ枚数が多いので、トータルの透過率は８５％程度であり、１５％は反射される。この反射光は、出射側１／４波長板３５を設けない場合、反射型液晶パネル１１に入る本来の光である略Ｐ偏光と略９０度異なる略Ｓ偏光であるために、パネルの黒表示時、略Ｓ偏光のまま出射され、これは、反射型偏光板及１０及び補助検光子１２にてカットできないので、投射レンズ１５を経て、スクリーンに到達して、コントラストを劣化させる。本実施例のように、出射側１／４波長板３５を設けると、漏れてきた略Ｓ偏光は、遅相軸を略４５度に設定した出射側１／４波長板３５を透過して、投射レンズ１５で反射し、再度、出射側１／４波長板３５を透過すると略Ｐ偏光に偏光変換されている。よって、該補助検光子１２により吸収されるので、コントラストを向上させることができる。
【００４９】
クロスダイクロイックプリズム１４の合成光の出射面に出射側１／４波長板３５を、Ｒ光路の入射面にＲ用補助検光子１２１、Ｂ光路の入射面にＢ用補助検光子、Ｇ光路の入射面にＧ用１／２波長板１３と、光路の４面全てに波長板、もしくは、偏光板を貼り付ける構成である。ところで、スクリーン上での各色の画素の位置のずれを少なくするために、クロスダイクロイックプリズム１４は、精度よく作成する必要がある。クロスダイクロイックプリズム１４は４つの３角プリズムを貼り合せて作成するが、各頂点は折れやすく、取り扱いが難しい。上記のように、４面全てに貼り合わせることにより、取り扱いの難しいプリズム１４のＡＲ工程を省くことができ、コストダウン可能である。また、ＡＲを施した場合、工程時に加熱されるので、プリズム１４内には残留応力が発生する。上記にように、本構成では、投射レンズからの反射光を出射側１／４波長板３５で回転させて、該補助検光子１２に吸収させて、コントラストを向上させるが、プリズム１４内に残留応力がある場合、複屈折が発生し黒ムラが発生する。よって、本発明のように４面全てに波長板、もしくは、偏光板を貼り付けることにより、４個全てのＡＲ工程を省くことができ、プリズム１４内の残留応力を低減し、黒ムラの低減が可能である。また、４個の残留応力が同一であるので、光を投射した際、略均等に膨張するため、クロスダイクロイックプリズム１４の青反射面及び赤反射面の初期位置からの角度ずれが少ない。よって、使用中に徐々に各パネルの画素位置がずれていく量も少ない。また、貼り合わせにより、空気との界面が減るので、界面での反射に起因するコントラストの劣化を防ぐことができる。また、出射側１／４波長板３５の材質として水晶を用いている。これにより、フィルムに比べ、熱により発生する複屈折の面内変化が少ないため、黒ムラの低減が可能である。
【００５０】
反射型偏光板１０は光の波長よりピッチの短い回折効果を応用して、Ｐ偏光とＳ偏光に光を分離するが、相対的に波長の短いＢ光路で、Ｒ光路及びＧ光路に比べコントラストが悪くなる。よって、ここで、Ｒ、Ｇ光路の補助偏光子９１、９２及び補助検光子１２１、１２２に比べＢ光路の補助偏光子９３及び補助検光子１２３は、コントラストのより高いものを用いて、３色のコントラストのバランスを取り、黒表示時の色を良くしている。
【００５１】
他の実施例として、反射型液晶パネル１０のＧのコントラストが悪い時には、Ｇ光路の補助偏光子９３及び補助検光子１２３は、他色のコントラストのより高いものを用いる。反射型液晶パネル１０のＲ（またはＢ）のコントラストが悪い場合は、Ｒ（または、Ｂ）光路の補助偏光子及び補助検光子は、他色のコントラストより高いものを用いる。
【００５２】
図７に第４の実施例を示す。下記以外は図６の実施例と同じである。ここでは、補助検光子１２を２枚構成とし、補助検光子１２の耐熱性を増している。よって、冷却風は弱くてよく、冷却ファンの回転数を落とすことができるので、冷却ファンの風切り音の低騒音化が可能である。
【００５３】
図８に第５の実施例を示す。下記以外は図６の実施例と同じである。反射型偏光板１０及び反射型液晶パネル及び補助検光子９が密閉構造シャーシ４２の外部との境界面に設けてある。密閉構造シャーシ４２は、密閉された防塵構造となっており、反射型偏光板１０及び反射型液晶パネル１１等にゴミが付着するのを防ぎ、スクリーン上での画像の欠落及び画質の劣化を防いでいる。反射型偏光板１０や補助検光子９といった光学部品を境界として利用することにより、光路を妨げることなく、密閉性を確保している。光学部品と構造シャーシ４２の隙間には、密閉シールを貼り密閉性を確保する。また、冷却ファンにより、補助検光子を冷却している。反射型液晶パネル１１の裏面側だけ、外部に出て、冷却できるようにしている。
【００５４】
図９に第６の実施例を示す。下記以外は図６の実施例と同じである。色分離系により分離された各Ｒ、Ｇ、Ｂ光は、各補助検光子９１、９２、９３、反射型偏光板１０を透過して反射型液晶パネル１１に入射する。そして、反射型液晶パネル１１にて変調され反射された映像光は反射型偏光板１０にて反射して色合成プリズムに入射する。この反射型偏光板１０及び反射型液晶パネル及びクロスダイクロイックプリズム１４及び補助検光子９が密閉構造シャーシ４２の内部に設けてあり、補助偏光子９が境界に設けてある。また、冷却ファンにより、補助検光子９を冷却している。
【００５５】
また、反射型偏光板１０及び反射型液晶パネル及びクロスダイクロイックプリズム１４及びλ／４波長板を密閉構造シャーシ４２の境界に設けるように構成してもよい。
【００５６】
また、反射型偏光板は、長辺側を固定せず長辺側に熱膨張可能な構成としている。この構成により、熱膨張時の変形を小さくすることができ、スクリーン上での画素ずれを小さくすることができる。
【００５７】
また、以上に実施の形態は反射型液晶パネルを３枚用いた場合について説明したが、本願発明はこれに限るものではなく、反射型液晶パネルを１枚或いは２枚用いた場合に於いても適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の反射型液晶プロジェクタ用光学ユニットおよび反射型液晶プロジェクタは特定方向のみ格子作用を有すことにより偏光板として作用する反射型偏光板を用いて上記のような各構成とすることにより、ＰＢＳプリズムおよびＰＢＳプリズム補整用の１／４波長板が不要となり、また投射レンズと反射型液晶パネルを保持する構造部品が干渉することがないため、解像度を低下させることなくコントラスト向上、部品数低減（明るさの向上）、小型軽量化が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図２】反射型偏光板の表面形状と各画素のコンバーずれのシミュレーション結果を示す図である。
【図３】吸収型偏光板及び反射型偏光板のコントラストの測定方法を示す図である。
【図４】本発明に用いる反射型液晶パネルの図及び反射型液晶パネルとクロスダイクロイックプリズムの近傍の図
【図５】本発明の第２番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図６】本発明の第３番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図７】本発明の第４番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図８】本発明の第５番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図９】本発明の第６番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【符号の説明】
１…光源、１ａ…電球、１ｂ…リフレクタ、２…光軸、４…結像レンズ群、５…白色反射ミラー、６…Ｂ透過ＲＧ反射ダイクロイックミラ−、７…Ｒ透過Ｇ反射ダイクロイックミラ−、８…Ｂ反射ミラ−、９１…Ｒ用補助偏光子、９２…Ｇ用補助偏光子、９３…Ｂ用補助偏光子、１０…反射型偏光板、１０１…Ｒ用反射型偏光板、１０２…Ｇ用反射型偏光板、１０３…Ｂ用反射型偏光板、１１…反射型液晶パネル、１１ａ…反射型液晶パネルの表示部の中心、１１ｂ…反射型液晶パネルの構造物、１１１…Ｒ用反射型液晶パネル、１１２…Ｇ用反射型液晶パネル、１１３…Ｂ用反射型液晶パネル、１２…補助検光子、１２ａ…補助検光子の透過軸、１２１…Ｒ用補助検光子、１２２…Ｇ用補助検光子、１２３…Ｂ用補助検光子、１３…Ｇ用１／２波長板、１４…クロスダイクロイックプリズム、１５…投射レンズ、３１…偏光変換素子、３２…第１のアレイレンズ、  ３３…第２のアレイレンズ、３４…コリメータレンズ、３５…出射側１／４波長板、３５ａ…出射側１／４波長板の遅相軸、３６…ＲＢ透過Ｇ反射ダイクロイックミラ−、３７…Ｒ透過Ｂ反射ダイクロイックミラ−、３８１…偏光分離プリズム、３８１…Ｒ用偏光分離プリズム、３８２…Ｇ用偏光分離プリズム、３８３…Ｂ用偏光分離プリズム、４０…冷却ファン、４１…視野角補償位相差板、４２…密閉構造シャーシ、５０…測定用光源、５１…測定用偏光板、５２…測定用受光器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004184889.tif 000009
【図８】
2004184889.tif 000010
【図９】
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