(57)【要約】【課題】  偏光プリズムの不要な反射型液晶プロジェクタの光学系を実現する。【解決手段】  投映型画像表示装置のプロジェクタエンジン６には、光源装置１０と、照明光学系１１と、投映光学系１２と、クロスダイクロイックプリズム１３と、反射型の液晶表示パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂとが設けられている。投映光学系１２は、その光路が折り曲げられ、照明光学系１１の光軸１１ａと垂直な光軸２０ａを有するスクリーン側光学系２０と、照明光学系１１の光軸１１ａと一致した光軸２１ａを有するパネル側光学系２１とから構成される。投映光学系１２の光路が折り曲げられた位置には、照明光を透過し、各液晶表示パネルからの画像光をスクリーン側光学系２０に向けて反射する偏光ミラー２２が設けられている。【選択図】        図３
2007058108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を照明光に変換する照明光学系と、照明光を変調して画像光に変換する反射型の液晶表示パネルと、画像光をスクリーンに投映する投映光学系とを備え、
前記投映光学系は、その光路が折り曲げられ、前記照明光学系の光軸と垂直な光軸を有するスクリーン側光学系と、前記照明光学系の光軸と一致した光軸を有するパネル側光学系とを有しており、
前記投映光学系の光路が折り曲げられた位置には、照明光を透過し、前記液晶表示パネルからの画像光を前記スクリーン側光学系に向けて反射する偏光ミラーが設けられていることを特徴とする投映型画像表示装置。
【請求項２】
前記照明光学系は、光源からの光の偏光方向を揃える偏光変換素子を有することを特徴とする請求項１記載の投映型画像表示装置。
【請求項３】
前記画像光がその背面側から投映される透過型スクリーンと、前記パネル側光学系から出射した画像光を前記透過型スクリーンに向けて反射するミラーとが設けられた筐体を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の投映型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示パネルとして反射型の液晶表示パネルを備えた投映型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアプロジェクションテレビは、スクリーンを有する筐体の内部に設けられたプロジェクタ（プロジェクタエンジン）から画像光を投映し、スクリーン上に画像を表示する。リアプロジェクションテレビのように大画面上に高精細な画像を表示するためには、画素密度の高さ等で有利なＬＣＯＳ等の反射型の液晶表示パネルが使用される。
【０００３】
反射型の液晶表示パネルを備えたプロジェクタは、液晶表示パネルに入射した照明光から、画像光と不要光とを分離するために偏光ビームスプリッタが用いられている。三板式プロジェクタのように、光源からの白色光をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の三原色に分離し、各色の光を再合成する光学系は、例えば、色分離を行うためのダイクロイックミラーと、各色の画像光を得るための偏光プリズムと、画像光を合成する色合成プリズムとが設けられている。
【０００４】
従来では、偏光プリズムが液晶表示パネルごとに３個設けられた３ＰＢＳ方式（特許文献１参照）と、２個の偏光プリズムが設けられた２ＰＢＳ方式（特許文献２参照）が知られている。これらの色分離合成光学系は、液晶表示パネルと投映レンズとの間に偏光プリズム及び色合成プリズムが設けられている。このため、液晶表示パネルと投映レンズとの間の距離が大きくなり、バックフォーカスが長くなるように投映レンズを設計する必要があることから、投映レンズの小型化及び広角化が難しいという欠点がある。そこで、投映レンズを前群と後群とに分割し、投映レンズの後群を偏光プリズムと色合成プリズムとの間に設けた光学系が公知である（特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２３０３号公報
【特許文献２】特開２００３−２９３３１号公報
【特許文献３】特開２００４−３４７８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では、各液晶表示パネルに偏光プリズムを使用しているためにコストが高くなることや、偏光プリズムの大きさにより光学系の小型化が難しいという欠点がある。なお、偏光プリズムを使用しない方法として、液晶表示パネルに光を斜めに入射させるオフアクシス方式があるが、各色に対応した液晶表示パネルの位置調整や、光学系を組み立てるための難易度が高く、製造に手間がかかるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、液晶表示パネルに光を垂直に入射させることができ、偏光プリズムを不要とする投映型画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の投映型画像表示装置は、光源からの光を照明光に変換する照明光学系と、照明光を変調して画像光に変換する反射型の液晶表示パネルと、画像光をスクリーンに投映する投映光学系とを備えている。前記投映光学系は、その光路が折り曲げられ、前記照明光学系の光軸と垂直な光軸を有するスクリーン側光学系と、前記照明光学系の光軸と一致した光軸を有するパネル側光学系とを有している。前記投映光学系の光路が折り曲げられた位置には、照明光を透過し、前記液晶表示パネルからの画像光を前記スクリーン側光学系に向けて反射する偏光ミラーが設けられている。
【０００９】
前記照明光学系は、光源からの光の偏光方向を揃える偏光変換素子を有していることを特徴とする。
【００１０】
前記画像光がその背面側から投映される透過型スクリーンと、前記パネル側光学系から出射した画像光を前記透過型スクリーンに向けて反射するミラーとが設けられた筐体を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、照明光学系に対して垂直なスクリーン側光学系と、照明光学系と平行なパネル側光学系とに分割した投映光学系の光路を折り曲げ、分割された２つの光学系の交点位置に、液晶表示パネルからの画像光を反射して不要光を透過する偏光ミラーを設けているから、偏光プリズムを使用しない小型化された光学系を実現できる。また、液晶表示パネルに光を垂直に入射させることができるから、設計上の光学性能を得るための光学系の組み立てが容易になり、製造適性が向上する。高い屈折率の硝材からなる偏光プリズムが存在しないから、バックフォーカスが大幅に短くでき、投映光学系の設計が容易となる。また、照明光学系を水平方向に設け、照明光学系を基準として光学系全体を回転させれば、スクリーン側光学系による画像光の投映角度を容易に変更することができるから、投映距離に応じた画面サイズの異なるプロジェクションテレビに共通の構成のプロジェクタエンジンを使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１において、投映型画像表示装置２は、透過型のスクリーン３を前面に備えた筐体４と、スクリーン３の背後に設けられた平面鏡５と、プロジェクタエンジン６とを備え、リア投映方式のプロジェクションディスプレイとして構成されている。スクリーン３は、水平方向の長辺と鉛直方向の短辺とを有する横長の長方形状をしている。平面鏡５は、その上辺をスクリーン３に近づけた姿勢に傾斜し、上辺の長さが長く下辺の長さが短い等脚台形状をしている。プロジェクタエンジン６は、スクリーン３と平行な方向に細長い箱形をしており、投映レンズが上方向に突出しており、平面鏡５に向かって画像光を斜め上方へ出射する。平面鏡５に反射された画像光はスクリーン３の背面に投映され、スクリーン３に形成された画像がスクリーン３の前面側から観察される。
【００１３】
図２及び図３において、プロジェクタエンジン６には、光源装置１０と、照明光学系１１と、投映光学系１２と、クロスダイクロイックプリズム１３と、３枚の反射型の液晶表示パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂとが設けられている。光源装置１０は、例えば、キセノン管や水銀灯などの白色光源と、光源からの白色光を平行光として出射するためのリフレクタとを備えている。照明光学系１１は、フライアイレンズ１５，１６と、偏光変換素子１７と、コンデンサレンズ１８，コリメートレンズ１９とから構成されている。
【００１４】
フライアイレンズ１５，１６は、マトリクス状に配列された複数のマイクロレンズを有し、光源からの光を照度の均一な光に変換するインテグレータとして作用する。偏光変換素子１７は、フライアイレンズ１５及び１６を透過した光を偏光面の向きを揃えた直線偏光に変換する。
【００１５】
偏光変換素子１７は、偏光分離膜が形成された複数のプリズムからなる周知のプリズムアレイである。偏光分離膜は光の入射方向に対して４５度傾斜しており、Ｐ偏光成分の光を透過し、Ｓ偏光成分の光を反射する。偏光分離膜を反射したＳ偏光成分の光は、偏光変換素子１７の内部で再度反射され、Ｐ偏光成分の光と平行に出射する。Ｓ偏光成分の光が出射する領域には、１／２波長板が設けられており、Ｓ偏光成分の光はＰ偏光成分の光に変換される。すなわち、偏光変換素子１７は、入射した全ての光をＰ偏光成分の光に変換する。
【００１６】
投映光学系１２は、照明光学系１１の光軸１１ａと垂直な方向に設けられたスクリーン側光学系２０と、照明光学系１１の光軸１１ａと平行な方向に設けられたパネル側光学系２１と、スクリーン側光学系２０とパネル側光学系２１の間に設けられた偏光ミラー２２とから構成される。スクリーン側光学系２０は、光軸２０ａを有する例えば２枚のレンズからなり、パネル側光学系２１は、光軸２１ａを有する３枚のレンズからなる。偏光ミラー２２は、平行平板ガラスのパネル側光学系２１を向いた面に偏光分離膜が形成されている。偏光ミラー２２の偏光分離膜は、Ｐ偏光成分の光を透過し、Ｓ偏光成分の光を反射する。偏光ミラー２２は、パネル側光学系２１から入射するＳ偏光成分の光をスクリーン側光学系２０に反射する向きに設けられている。
【００１７】
クロスダイクロイックプリズム１３は、４個の直角プリズムを互いの頂角が向き合うように組み合わせた四角柱状のプリズムである。クロスダイクロイックプリズム１３は、直角に交差した青色光反射面１３ａと赤色光反射面１３ｂとを有している。青色光反射面１３ａと赤色光反射面１３ｂは、直角プリズムの頂角に接する側面に形成されたダイクロイック膜によって形成されている。
【００１８】
青色光反射面１３ａは、クロスダイクロイックプリズム１３に入射した白色光のうち、青色光（Ｂ光）のみを反射して、白色光からＢ光を分離する。赤色光反射面１３ｂは、クロスダイクロイックプリズム１３に入射した白色光のうち、赤色光（Ｒ光）のみを反射して、白色光からＲ光を分離する。青色光反射面１３ａと赤色光反射面１３ｂを透過する光は緑色光（Ｇ光）である。クロスダイクロイックプリズム１３は、一方向から入射した白色光をＲ光，Ｇ光，Ｂ光に分離する色分離プリズムとして作用する。
【００１９】
液晶表示パネル１４Ｒ〜液晶表示パネル１４Ｂは、クロスダイクロイックプリズム１３の各側面と平行に設けられている。各液晶表示パネルの法線と各色の光の入射方向とは平行である。液晶表示パネル１４Ｒには、クロスダイクロイックプリズム１３により分離されたＲ光が入射し、Ｒ光は赤色成分の画像光として変調される。また、液晶表示パネル１４ＧにはＧ光が入射し、Ｇ光は緑色成分の画像光として変調され、液晶表示パネル１４ＢにはＢ光が入射し、Ｂ光は青色成分の画像光として変調される。
【００２０】
液晶表示パネル１４Ｒ〜液晶表示パネル１４Ｂは、例えば４対３又は１６対９のアスペクト比の画像を形成する長方形状の画面を有している。液晶表示パネル１４Ｒ〜液晶表示パネル１４Ｂは、その短辺がクロスダイクロイックプリズム１３の底面と平行な同一の平面上に属する向きに、またその長辺が互いに平行となるように設けられている。
【００２１】
ＲＧＢの各色の画像光は、変調される過程で各液晶表示パネルに設けられた反射面により反射され、クロスダイクロイックプリズム１３に入射する。クロスダイクロイックプリズム１３は、青色光反射面１３ａがＢの画像光を反射し、赤色光反射面１３ｂがＲの画像光を反射し、Ｇ光は透過させるので、三色の画像光は同じ方向に合成されて出射する。すなわち、クロスダイクロイックプリズム１３は、三方向から入射する三色の画像光を合成する色合成プリズムとしても作用する。
【００２２】
次に、投映型画像表示装置２の作用について説明する。光源装置１０の高輝度光源から放射された光は、リフレクタによりほぼ平行な光束となって出射される。光源装置１０を出射した光は、フライアイレンズ１５及び１６によって照度のほぼ均一な白色光に変換される。偏光変換素子１７は、均一な照度の白色光に変換された光源からのランダム偏光光をＰ偏光成分に偏光方向を揃えた照明光に変換する。
【００２３】
照明光学系１１により均一な照度及びＰ偏光成分の照明光として変換された光源からの光は、コンデンサレンズ１８により集光され、コリメートレンズ１９によって光束径の小さい光束となって偏光ミラー２２を透過する。偏光ミラー２２を透過した照明光は、パネル側光学系２１を透過し、クロスダイクロイックプリズム１３に入射する。クロスダイクロイックプリズム１３では、青色光反射面１３ａと赤色光反射面１３ｂにより白色の照明光がＲ光，Ｇ光，Ｂ光に分離され、クロスダイクロイックプリズム１３の側面に設けられた３枚の液晶表示パネル１４Ｒ〜液晶表示パネル１４Ｂにそれぞれ入射する。
【００２４】
液晶表示パネル１４Ｒ〜液晶表示パネル１４Ｂに入射した照明光は、各液晶表示パネルの画像情報に基づき、各画素がスクリーン上に表示されるべき輝度に応じて直線偏光の偏波面を回転させる。各液晶表示パネルによって変調された光は、偏光ミラー２２を反射してスクリーン３へ向かい、画像光となる偏光成分と、偏光ミラー２２を透過して光源装置１０へ戻り、不要光となる偏光成分が混在したものとなる。
【００２５】
各色の光は、液晶表示パネル１４Ｒ〜液晶表示パネル１４Ｂからクロスダイクロイックプリズム１３に入射する。クロスダイクロイックプリズム１３は、青色光反射面１３ａと赤色光反射面１３ｂとにより三色の光を色合成する。色合成された光は、パネル側光学系２１に向けて同一方向に出射される。
【００２６】
各液晶表示パネルからの光は、偏光ミラー２２に対してＳ偏光成分の画像光と、偏光ミラー２２に対してＰ偏光成分の不要光とが混在しており、Ｓ／Ｐの割合はその画素のスクリーン３上での輝度により異なる。例えば、白表示を行う画素からの光はすべてがＳ偏光であり、５０％グレー表示を行う画素からの光はＳ／Ｐの比率が等しく、黒表示を行う画素からの光はすべてＰ偏光となる。各液晶表示パネルからの光は、パネル側光学系２１を透過し、偏光ミラー２２に到達する。偏光ミラー２２は、Ｐ偏光成分の光を透過し、Ｓ偏光成分の光を反射する。すなわち、Ｓ偏光成分である画像光は偏光ミラー２２で反射し、Ｐ偏光成分である不要光は偏光ミラー２２を透過するので、画像光と不要光が分離される。これにより、スクリーン側光学系２０には、分離された画像光が入射する。
【００２７】
画像光は、パネル側光学系２１とスクリーン側光学系２０とを透過する過程でスクリーン３が像点となるように屈折して拡大され、スクリーン側光学系２０から平面鏡５に向かって出射される。平面鏡５に向かって出射された画像光は平面鏡５を反射し、液晶表示パネル１４Ｒ〜１４Ｂにより形成された画像をスクリーン３に表示する。このようにして表示された画像は、スクリーン３の前面側から観察されることになる。
【００２８】
プロジェクタエンジン６は、細長い箱状の長手方向がスクリーンの水平方向と平行に設けられており、照明光学系１１から液晶表示パネル１４Ｇに至る光路が直線状である。また、光源装置１０に使用される高輝度光源は、最も高い発光効率が得られる設置方向が例えば鉛直方向であるもの、又は水平方向であるものがあり、本発明では水平方向の設置に適した光源が使用されることになる。したがって、本発明では、スクリーン３の水平方向に平行な光源装置１０の設置方向を保ったまま、スクリーン側光学系２０の水平面に対する角度を自由に設定することが可能となり、このため、形状や大きさの異なる複数の筐体を設計する際に共通のプロジェクタエンジン６を使用することが可能となる。
【００２９】
例えば、図４に示すように、投映型画像表示装置３０の前方の方向に画像光が出射するようにプロジェクタエンジン６を設け、スクリーン３１の下方に位置する第１ミラー３２と、スクリーン３１の後方に位置する第２ミラー３３とを反射させてスクリーン３１に導くようにすれば、投映型画像表示装置３０の奥行き方向の長さをそれほど大きくすることなく投映距離を長くでき、画像の表示サイズを大きくすることが可能となる。すなわち、構成の同一なプロジェクタエンジン６を使用して、スクリーンサイズの異なるリアプロジェクションディスプレイを製造でき、その製造コストを大幅に抑えることができる。
【００３０】
また、本発明は、リアプロジェクションディスプレイ等のリア投映式の投写型表示装置に限らず、画像光を入射する側と画像を観察する側とが同じフロント投映式の投写型表示装置に適用することもできる。また、三板式プロジェクタに限らず、単板式プロジェクタに本発明を適用することもできる。また、上記実施形態では詳細な説明を省略しているが、画像光と不要光の分離効率を高めて画像のコントラストを向上させるために、液晶表示パネルと偏光ミラーとの間に色ムラを防止する１／４波長板を設けることや、液晶表示パネルで位相差を補償するネガティブリターダ等を適宜設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】投映型画像表示装置の断面図である。
【図２】プロジェクタエンジン内部の構成を示す斜視図である。
【図３】プロジェクタエンジン内部の構成を示す平面図である。
【図４】投映型画像表示装置の他の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
２，３０  投映型画像表示装置
３  スクリーン
４  筐体
５  平面鏡
６  プロジェクタエンジン
１０  光源装置
１１  照明光学系
１１ａ  光軸
１２  投映光学系
１３  クロスダイクロイックプリズム
１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ  液晶表示パネル
１５，１６  フライアイレンズ
１７  偏光変換素子
２０  スクリーン側光学系
２０ａ  光軸
２１  パネル側光学系
２１ａ  光軸
２２  偏光ミラー
３１  スクリーン
３２  第１ミラー
３３  第２ミラー
【図１】
2007058108.tif 000003
【図２】
2007058108.tif 000004
【図３】
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【図４】
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