(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光の偏光を統一する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子により偏光が統一された光をＲ、Ｇ、Ｂの３色に分離するために、前記光源から出射した光から前記Ｒ、Ｇ、Ｂのうちの第１色の光を分離するダイクロイックミラーと、
前記３色の色に対応して配置された３枚の反射型液晶表示素子と、
前記第１色の光に対応する反射型液晶表示素子の反射面の略直前に配置された第１の偏光ビームスプリッタプリズムと、
前記第１色の光が分離された光を入射する入射面と、前記入射面から入射した光を第２色の光と第３色の光とに分離するとともに、前記各々の色に対応して配置された反射型液晶表示素子で反射した光のうち前記第２色の光と前記第３色の光を合成する分離合成面と、合成された光を出射する出射面を有する第２の偏光ビームスプリッタプリズムと、
前記入射面に配置され且つ、前記第２色の光又は前記第３色の光の偏光を回転させる第１の波長選択性偏光回転素子と、
前記出射面に配置され且つ、前記第２色の光又は前記第３色の光の偏光を回転させる第２の波長選択性偏光回転素子と、
前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムからの光と前記第２の波長選択性偏光回転素子からの光とを合成するダイクロイックミラープリズムと、
前記ダイクロイックミラープリズムで合成された光を投写する投写レンズとを有する光学エンジン。
【請求項２】
光を出射する光源と、
前記光の偏光を統一する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子により偏光が統一された光をＲ、Ｇ、Ｂの３色に分離するために、前記光源から出射した光から前記Ｒ、Ｇ、Ｂのうちの第１色の光を分離するダイクロイックミラーと、
前記３色の色に対応して配置された３枚の反射型液晶表示素子と、
前記第１色の光に対応する反射型液晶表示素子の反射面の略直前に配置された第１の偏光ビームスプリッタプリズムと、
前記第１色の光が分離された光を入射する入射面と、前記入射面から入射した光を第２色の光と第３色の光とに分離するとともに、前記各々の色に対応して配置された反射型液晶表示素子で反射した光のうち前記第２色の光と前記第３色の光を合成する分離合成面と、合成された光を出射する出射面を有する第２の偏光ビームスプリッタプリズムと、
前記入射面に配置され且つ、前記第２色の光又は前記第３色の光の偏光を回転させる第１の波長選択性偏光回転素子と、
前記出射面に配置され且つ、前記第２色の光又は前記第３色の光の偏光を回転させる第２の波長選択性偏光回転素子と、
前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムからの光と前記第２の波長選択性偏光回転素子からの光とを合成する第３の偏光ビームスプリッタプリズムと、
前記第３の偏光ビームスプリッタプリズムで合成された光を投写する投写レンズとを有する光学エンジン。
【請求項３】
前記第２色の光と前記第３色の光に対応する２枚の反射型液晶表示素子は、互いに略隣接し、且つ略９０度の角度を成すように配置され、
前記第２の偏光ビームスプリッタプリズムは、前記２枚の反射型液晶表示素子の両反射面の略直前位置に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項４】
前記第１及び第２の偏光ビームスプリッタプリズムから出射される光は各々、前記ダイクロイックミラープリズム或いは前記第３の偏光ビームスプリッタプリズムの２面から入射することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項５】
前記第１色はＧであって、
第３の偏光ビームスプリッタプリズム或いはダイクロイックミラープリズムに入射するＧの光の偏光方向は、Ｒ、Ｂの光の偏光方向と略直交することを特徴とする請求項４に記載の光学エンジン。
【請求項６】
前記第１色はＧであって、
前記第１及び第２の波長選択性偏光回転素子は、Ｒ又はＢの何れか一方の光の偏光方向を略９０度回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項７】
前記第１及び第２の波長選択性偏光回転素子は、４００ｎｍ〜５００ｎｍ近傍の波長帯域もしくは６００ｎｍ〜７００ｎｍ近傍の波長帯域の光に対して、偏光を回転させることを特徴とする請求項６に記載の光学エンジン。
【請求項８】
前記第１及び第２の波長選択性偏光回転素子は、同じ偏光方向で入射する４００ｎｍ〜５００ｎｍ近傍の波長帯域の光と６００ｎｍ〜７００ｎｍ近傍の波長帯域の光との偏光方向が互いに略直交するように、何れか一方の光の偏光を回転させることを特徴とする請求項６乃至請求項７の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項９】
前記第１色はＧであって、
前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムは、Ｇに対して、透過効率或いは反射効率がピーク値をとることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１０】
前記第１色はＧであって、
前記第２の偏光ビームスプリッタプリズムは、Ｒ又はＢの光に対して、透過効率或いは反射効率がピーク値をとることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１１】
前記第２の波長選択性偏光回転素子と前記第３の偏光ビームスプリッタプリズムとを互いに貼り合わせて一体状としたことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１２】
前記第１の波長選択性偏光回転素子と前記第２の偏光ビームスプリッタプリズムと前記第２の波長選択性偏光回転素子と前記ダイクロイックミラープリズムとを互いに貼り合わせて一体状としたことを特徴とする請求項１、４、５の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１３】
前記ダイクロイックミラーは、Ｇの光とＲ、Ｂの光とに分離するものであって、前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムの前、及び前記第２の偏光ビームスプリッタプリズムの前に、偏光を整流するための素子をそれぞれ有することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１４】
前記偏光を整流するための素子は、偏光板であることを特徴とする請求項１３に記載の光学エンジン。
【請求項１５】
前記それぞれの偏光を整流するための素子の光入射側に、光の色純度を調整するフィルタをそれぞれ有することを特徴とする請求項１３乃至請求項１４の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１６】
前記光の色純度を調整するフィルタは、カラーフィルタ又はダイクロイックフィルタであることを特徴とする請求項１５に記載の光学エンジン。
【請求項１７】
前記第１色はＧであって、
Ｒの光に対応する反射型液晶表示素子は、前記入射面の対抗する面に配置され、
Ｂの光に対応する反射型液晶表示素子は、前記出射面の対抗する面に配置され、
Ｂの光に対応する偏光板は、前記入射面に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の光学エンジン。
【請求項１８】
前記光学エンジンは、
前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムに入射する光の主光線を前記３枚の反射型液晶表示素子の周辺部に対し略鉛直に入射させ、且つ前記光源と前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムとの間に配置されたコンデンサレンズを有することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の光学エンジン。
【請求項１９】
前記３枚の反射型液晶表示素子の反射面側に、前記コンデンサレンズを配置したことを特徴とする請求項１８に記載の光学エンジン。
【請求項２０】
前記コンデンサレンズは、前記コンデンサレンズの中心軸が前記３枚の反射型液晶表示素子の中心軸と各々略一致し、且つ前記投写レンズの中心軸に対しては偏心して配置されることを特徴とする請求項１９に記載の光学エンジン。
【請求項２１】
前記ダイクロイックミラー及び前記ダイクロイックミラープリズムのダイクロイック反射薄膜を、一定方向に膜厚を変えて反射波長特性を変化させた傾斜薄膜とすることを特徴とする請求項１９に記載の光学エンジン。
【請求項２２】
前記第３の偏光ビームスプリッタプリズムのサイズは、前記第１の偏光ビームスプリッタプリズム、及び前記第２の偏光ビームスプリッタプリズムのサイズよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の光学エンジン。
【請求項２３】
前記第３の偏光ビームスプリッタプリズムは、角面取り部を有することを特徴とする請求項２２に記載の光学エンジン。
【請求項２４】
前記第１の偏光ビームスプリッタプリズム、前記第２の偏光ビームスプリッタプリズム及び前記ダイクロイックミラープリズムの上下両面は黒色塗料が塗布されていることを特徴とする請求項１に記載の光学エンジン。
【請求項２５】
前記第１の偏光ビームスプリッタプリズム、前記第２の偏光ビームスプリッタプリズム及び前記第３の偏光ビームスプリッタプリズムの上下両面に黒色塗料を塗布することを特徴とする請求項２に記載の光学エンジン。
【請求項２６】
請求項１乃至請求項２５の何れか１項に記載の光学エンジンと、
前記３枚の反射型液晶表示素子を駆動する駆動回路とを有すること特徴とする液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３枚の反射型液晶表示素子を用いた表示技術に係り、特に３原色の映像光を分離合成する色分離合成光学系の少なくとも一部に偏光ビームスプリッタプリズムを用いる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の反射型液晶表示素子を使用する液晶プロジェクタとして、例えば特開平１０−３１２０３４号公報に記載がある。
【０００３】
また、特定の波長域の光のみ偏光を回転させる偏光回転素子を使用した液晶プロジェクタとしては、例えばＵｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｎｏ．５、７５１、３８４に記載のＣＯＬＯＲ  ＰＯＬＡＲＩＺＥＲＳ  ＦＯＲ  ＰＯＬＡＲＩＺＩＮＧ  ＡＮ  ＡＤＤＩＴＩＶＥ   ＣＯＬＯＲ  ＳＰＥＣＴＲＵＭ  ＡＬＯＮＧ  Ａ  ＦＩＲＳＴ  ＡＸＩＳ  ＡＮＤ  ＩＴ‘Ｓ  ＣＯＭＰＬＩＭＥＮＴ  ＡＬＯＮＧ  Ａ  ＳＥＣＯＮＤ  ＡＸＩＳにその特徴が開示されている。
【０００４】
図１０に、前者の開示資料による光源、偏光ビームスプリッタプリズム、3枚の反射型液晶表示素子、色分解光学系（色合成光学系も兼ねる）とを備える液晶プロジェクタ光学系の概略上面図を示す。以下、図１０を用いて、この関連技術としての光学系及びそれを用いた液晶プロジェクタを詳細に説明する。
【０００５】
光源８１は、高圧水銀灯、キセノンランプ等からなる白色光源であり、放射された光はリフレクタにより、略平行光８２へと変換される。略平行光８２は、Ｒ光の成分８２Ｒ、Ｇ光の成分８２Ｇ、Ｂ光の成分８２Ｂからなり、偏光変換素子８３により紙面に垂直な波面のみを持つ光へと整流される。ここで偏光変換素子とは、特定の偏光面を持たない無偏光の略平行光を特定の偏光面に整流する作用を持つ光学素子である。尚説明の簡易化の為、今後紙面に垂直な波面のみを持つ光をＳ偏光、紙面に水平な波面のみを持つ光をＰ偏光と表記する。
【０００６】
偏光変換素子８３から出射した該Ｓ偏光は、Ｓ偏光のみ透過する向きに配置された偏光板８３ａを通過し、ＲのＳ偏光８４Ｒ、ＧのＳ偏光８４Ｇ、ＢのＳ偏光８４Ｂ、となる。次に偏光ビームスプリッタプリズム８５に入射した３原色のＳ偏光は、スプリッタ面８５ａ（Ｓ偏光のみ反射させる性質を持つ多層薄膜）で反射され、色分離合成プリズム８６に入射する。
【０００７】
色分離合成プリズム８６は、４個の直角プリズムの直角を挟む面をそれぞれ接着剤により張り合わせ、張り合わせ面にＲ反射ダイクロイックミラー８６ＲとＢ反射ダイクロイックミラー８６Ｂを蒸着した構成となっている。ここでＲ反射ダイクロイックミラー８６Ｒは、Ｒ光のみを反射し、且つＧ光、Ｂ光を透過する性質を持つ多層薄膜である。またＢ反射ダイクロイックミラー８６ＢはＢ光のみ反射し、Ｒ光、Ｇ光を透過する性質を持つ多層薄膜である。
【０００８】
色分離合成プリズム８６に入射した略平行なＳ偏光８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂは、ＧのＳ偏光８４Ｇのみ直進し、ＲのＳ偏光８４ＲはＲ反射ダイクロイクミラー８６Ｒに、ＢのＳ偏光８４ＢはＢ反射ダイクロイックミラー８６Ｂにより反射され、それぞれの色に対応する反射型液晶表示素子８７Ｒ、８７Ｇ、８７Ｂに入射する。そして反射型液晶表示素子の各画素毎に、明るく表示させる場合にはＰ偏光へ変換され、暗く表示させる場合にはＳ偏光のまま、反射される。尚、図７中では明るく表示させる光のみ作図している。反射された略平行光は、明るく表示される場合は、ＲのＰ偏光８８Ｒ、ＧのＰ偏光８８Ｇ、ＢのＰ偏光８８Ｂとなり、色分離合成プリズム８６により白色光へと合成され、再度偏光ビームスプリッタ８５に入射する。ここで明るく表示させる光であるＰ偏光は、スプリッタ面８５ａを透過し、投写レンズ９０により拡大投写され、Ｐ偏光の映像光９１となり、スクリーン等へと入射する。また暗く表示させる光であるＳ偏光は３色共に色分離合成プリズム８６を通過した後、偏光ビームスプリッタプリズム８５のスプリッタ面８５ａにおいて反射され、投写レンズ９０へは到達しない。
【０００９】
但し、偏光ビームスプリッタプリズム８５の偏光分離性能を、Ｓ偏光を１００％反射させる性能とすることは困難であるため、本来暗く表示させる光であるＳ偏光の一部が偏光ビームスプリッタ８５のスプリッタ面８５ａを透過してしまい、画像のコントラストが劣化する。そこで偏光ビームスプリッタプリズム８５と投写レンズ９０の間に、偏光板８９をＰ偏光のみ透過させる角度に配置する事でＳ偏光が吸収され、コントラストの高い画像を得ることが出来る。
【００１０】
尚、図７では反射型液晶表示素子に入射する光をＳ偏光、反射された光の内、明るく表示させる光をＰ偏光とした構成を記載したが、実際には光源８１と投写レンズ９０の位置を入れ替える等により、入射光をＰ偏光、明るく表示させる反射光をＳ偏光とする構成も容易に考えることが出来る。
【００１１】
また後者の開示資料Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ５、７５１、３８４によれば、偏光回転素子を製作するにあたり、回転角の異なる位相差板を積層させることにより、特定の波長域の光のみの偏光を回転させることが可能となる。開示資料中のＦｉｇ．３に、後者の開示資料による偏光回転素子の構成の一例を示し、Ｆｉｇ．４に該偏光回転素子の波長特性を示す。Ｆｉｇ．４に示すように、本開示資料による偏光回転素子は、波長約５００ｎｍ以上の光のみ偏光を回転させ、波長５００ｎｍ以下の光の偏光は回転させない性質を持つ。ここで、積層させる位相差板の構成を変えることにより偏光を回転させる波長帯域をコントロールすることが出来る。
【００１２】
また図１０に、本開示資料による液晶プロジェクタ色合成光学系の概略上面図を示す。
【００１３】
以下、図１０を用いて、この関連技術としての液晶プロジェクタ光学系を詳細に説明する。
【００１４】
図１０は本開示資料の液晶プロジェクタの色合成光学系を示すもので、光源、色分離光学系、投写レンズは省略している。図１０中、９６、９９は本開示資料による、特定波長域の光の偏光を回転させる偏光回転素子であり、９６はＧ光の偏光を回転させ、また９９はＢ光の偏光を回転させる性質を持つ。
【００１５】
Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色の画像表示素子９３Ｒ、９３Ｇ、９３Ｂから出射した映像光は、Ｂの映像光はＰ偏光９４Ｂ、Ｒの映像光はＳ偏光９４Ｒ、Ｇの映像光はＰ偏光９４Ｇで構成されている。Ｒの画像表示素子９３Ｒから出射したＳ偏光の映像光９４Ｒと、Ｇの画像表示素子９３Ｇから出射したＰ偏光の映像光９４Ｇは、それぞれ別の面から偏光ビームスプリッタプリズム９５に入射する。ここでＲのＳ偏光９４Ｒはスプリッタ面９５ａにより反射され、またＧのＰ偏光９４Ｇはスプリッタ面９５ａを透過し、Ｒ光はＳ偏光、Ｇ光はＰ偏光の成分を持つ１つの映像光に合成される。次に映像光は、Ｇ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子９６に入射し、ＲのＳ偏光９４Ｒは変化せずＳ偏光９７Ｒとなり、ＧのＰ偏光９４Ｇの偏光は回転しＧのＳ偏光９７Ｇとなることにより、ＲＧ共にＳ偏光の成分を持つ映像光へと変換される。このＲのＳ偏光９７Ｒ、ＧのＳ偏光９７Ｇは共に偏光ビームスプリッタプリズム９８に入射し、スプリッタ面９８ａで反射される。
【００１６】
一方、Ｂの画像表示素子９３Ｂより出射したＢのＰ偏光を持つ映像光９４Ｂは、偏光ビームスプリッタプリズム９８に入射し、スプリッタ面９８ａを透過する。こうしてＲＧＢの映像光が合成され、Ｒ、Ｇ光はＳ偏光、Ｂ光はＰ偏光の成分を持つ映像光となる。そしてこの映像光はＢ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子９９に入射し、ＲのＳ偏光９７Ｒ、及びＧのＳ偏光９７Ｇは変化せずＲのＳ偏光１００Ｒ、ＧのＳ偏光１００Ｇとなり、ＢのＰ偏光９４Ｂのみ偏光が回転しＢのＳ偏光１００Ｂとなることにより、全てＳ偏光の成分を持つ映像光へと変換され、投写レンズ１０１により拡大投写される。このように、本開示資料による技術では、ダイクロイックミラーでなく偏光ビームスプリッタプリズムによる色合成が可能となる。
【００１７】
ここで、図１０に示す公知の光学系に反射型液晶表示素子を応用した場合の、光学系概略上面図を図１１に示す。
【００１８】
以下、図１１を用いてこの公知の光学系を詳細に説明する。
【００１９】
Ｒ及びＧの光を発生する光源１１０より放射された光はリフレクタにより略平行な光１１１へと変換され、Ｒ光１１１Ｒ、Ｇ光１１１Ｇとなる。Ｒ光１１１ＲとＧ光１１１Ｇとは偏光変換素子１１２を通過し共にＰ偏光を持つ光へと変換された後、Ｇ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子１１３により、Ｒ光１１１ＲはＲのＰ偏光１１４Ｒ、Ｇ光１１１ＧはＧのＳ偏光１１４Ｇへと変換される。ＲのＰ偏光１１４ＲとＧのＳ偏光１１４Ｇは偏光ビームスプリッタプリズム１１５に入射し、スプリッタ面１１５ａによりＲのＰ偏光１１４Ｒは直進し、ＧのＳ偏光１１４Ｇは反射され、それぞれ反射型液晶表示素子１１６Ｒ、１１６Ｇに入射する。ここで明るく表示させる光は、Ｒ映像光はＳ偏光１１７Ｒ、Ｇ映像光はＰ偏光１１７Ｇとして反射され、偏光ビームスプリッタプリズム１１５に再度入射する。偏光ビームスプリッタプリズム１１５のスプリッタ面１１５ａでは、ＲのＳ偏光１１７Ｒは反射され、ＧのＰ偏光１１７Ｇは直進することにより、２つの映像光が合成される。この、ＲはＳ偏光、ＧはＰ偏光を持つ映像光はＧ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子１１８に入射し、ＲのＳ偏光１１７Ｒは変化せずＲのＳ偏光１１９Ｒとなり、ＧのＰ偏光１１７Ｇは偏光が回転し、ＧのＳ偏光１１９Ｇとなる。そしてＲ、Ｇ共にＳ偏光となり偏光ビームスプリッタプリズム１２０に入射し、スプリッタ面１２０ａで反射される。
【００２０】
一方、Ｂの光を発生する光源１２５より放射されたＢ光１２６Ｂは、偏光変換素子１２７によりＢのＳ偏光１２８Ｂへと変換され、偏光ビームスプリッタプリズム１２０に入射する。次にスプリッタ面１２０ａにより反射されたＢのＳ偏光１２９Ｂは、Ｂの反射型液晶表示素子１３０Ｂに入射する。そして明るく表示させる光はＰ偏光１３１Ｂとなり、偏光ビームスプリッタプリズム１２０に再度入射し、今回はＰ偏光であるため、スプリッタ面１２０ａを透過し、直進する。こうしてＢ光はＰ偏光、Ｒ光、Ｇ光はＳ偏光の成分を持つ白色光に合成された映像光は、Ｂ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子１２２に入射し、ＢのＰ偏光１３１Ｂは偏光が回転しＢのＳ偏光１３２Ｂとなり、またＲのＳ偏光１１９Ｒ、ＧのＳ偏光１１９Ｇは変化せず、１２１Ｒ、１２１Ｇとなり、全てＳ偏光成分を持つ映像光となり、投写レンズ１２４により拡大投写される。また、反射型液晶表示素子１１６Ｒ、１１６Ｇ及び１３０Ｂにより暗く表示させる映像光へと変換された光（入射光と同じ偏光を持たされた反射光）は、偏光ビームスプリッタプリズム１１５、１２０により光源へと導かれ、投写レンズ１２４へは到達しない。但し、偏光ビームスプリッタプリズムによる分離性能を、Ｓ偏光、Ｐ偏光共に１００％反射、もしくは透過させる特性とすることは困難であるため、本来暗く表示させる映像光の一部が投写レンズに到達してしまい、画像のコントラストを劣化させる。そこで画像コントラスト向上のため、偏光回転素子１２２と投写レンズ１２４の間に偏光板１２３を配置することが必要となる。
【００２１】
また、本開示資料におけるＲＧＢの色の配置は、本構成に限ったものではなく、他の配置でも同様の性能が得られることは明白である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の開示資料の特開平１０−３１２０３４号公報に記載の技術では、セットの小型化には有利であるが、画像の高コントラスト化と高輝度化を両立させることが困難となる。本開示資料に使用されているダイクロイックミラーは、一般的に光のＳ偏光とＰ偏光により、波長反射特性が大きく異なるという性質を持つ。
【００２３】
図１３に、色分離合成プリズムの１面より光を入れた場合の透過率の１例を示す。図１３中のグラフの横軸は光の波長を示し、縦軸は透過率を示す。図１３に示すように、Ｇ光の透過率の波長帯域はＳ偏光に対して狭く、Ｐ偏光に対しては広くなる。またＲ光、Ｂ光に対してはその逆となる。ここで本開示資料に使用される液晶プロジェクタでは、明るく表示させる信号に対応した光は、反射型液晶表示素子に入射する光はＳ偏光、反射された光はＰ偏光となり、色分離時と色合成時の波長特性が異なることになる。例えば、波長５８０ｎｍの光は入射時にはＲ反射ダイクロイックミラーにより反射されＲの反射型液晶表示素子に入射するが、反射された後はＰ偏光となり、Ｒ反射ダイクロイックミラー及びＢ反射ダイクロイックミラーを透過し、Ｂの反射型液晶表示素子に入射し、迷光となり、画像のコントラストを著しく劣化させる。この迷光を防ぐためには、波長５８０ｎｍ及び波長５００ｎｍ近傍の光をあらかじめカラーフィルタ等でカットしなければならず、光利用率の低下を招く。また、入射光をＰ偏光とした場合の構成に付いても同様に、Ｇ光の迷光が発生する。このように従来の技術の液晶プロジェクタでは、高コントラストと高輝度との両立が困難となる課題がある。
【００２４】
また後者の開示資料の Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ５，７５１，３８４による技術では、反射型液晶表示素子を使用した色分離合成光学系の持つ課題については考慮されていない。
【００２５】
反射型液晶表示素子を使用し、かつ入射光と出射光に異なる偏光を持たせる光学系では、入射光と出射光の一部が同一の光路を通過し、更に色分離光学系と色合成光学系の少なくとも１部が共用されるため、反射型液晶表示素子の直後に偏光板を設置し画像のコントラスト向上させることが困難となる課題を持つが、本開示資料による技術では前記の反射型表示素子を使用した光学系の課題については考慮されていない。
【００２６】
図１２に示すような、ＲＧＢの映像光を偏光ビームスプリッタプリズムにより合成する光学系では、合成された映像光がＳ偏光とＰ偏光を持つため、コントラストを向上させるための偏光板を設置する際に、偏光板の前に特定の波長のみ偏光を回転させる偏光回転素子を設置することが必要となる。しかし、この波長選択性を持つ偏光回転素子は偏光を完全に９０度回転させる波長域と回転させない波長域との間に１０ｎｍから３０ｎｍ以上のギャップを持ち、その間の波長域の光については偏光の回転角が緩やかに変化し、楕円偏光となる特性を持つ。この過渡域での楕円偏光は、画像のコントラストを著しく劣化させることとなるため、画像のコントラストを向上させるためには、この過渡域での光をフィルタ等でカットする必要が発生し、光の利用効率が低下するという課題を持つ。
【００２７】
また、一般に白色光源、及び１本の投写レンズを使用し、ＲＧＢ３原色の色分離合成を行う３板式の投写装置では、投写レンズから３枚の表示素子までの光学距離が同一であることが投写レンズのフォーカス性能を得るため必要となり、更に投写レンズと表示素子との光学距離を短くし投写レンズのバックフォーカスを短くすることがフォーカス性能を得る上で重要となる。また、画像の色むらを少なくするためには、光源から3枚の表示素子までの光学距離も略同一であることが望ましく、画像の高輝度化を図るためには、光源から表示素子までの距離を短くすることが望まれる。特に反射型表示素子を使用した光学系では、入射光と出射光とが一部同一の光路を通過するため、これらの両立が困難となる課題があるが、本開示資料による技術では、これらの課題については考慮されていない。
【００２８】
そこで本発明の目的は，反射型液晶表示素子を使用した液晶プロジェクタ光学エンジンにおいて、光利用率が高く且つ、画像のコントラストの高い光学エンジン及びそれを用いた液晶プロジェクタを提案することにある。
【００２９】
また、本発明の目的は、光源からＲＧＢの3枚の反射型液晶表示素子までの距離をほぼ等距離とし色むらを少なくさせると共に、反射型液晶表示素子と投写レンズとの距離を等距離で且つ短くし、投写レンズのバックフォーカスを短くさせ、フォーカス性能の優れた小型で且つ軽量な液晶プロジェクタ光学エンジン及びそれを用い板液晶プロジェクタを提案することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光を出射する光源と、前記光の偏光を統一する偏光変換素子と、前記偏光変換素子により偏光が統一された光をＲ、Ｇ、Ｂの３色に分離するために、前記光源から出射した光から前記Ｒ、Ｇ、Ｂのうちの第１色の光を分離するダイクロイックミラーと、前記３色の色に対応して配置された３枚の反射型液晶表示素子と、前記第１色の光に対応する反射型液晶表示素子の反射面の略直前に配置された第１の偏光ビームスプリッタプリズムと、前記第１色の光が分離された光を入射する入射面と、前記入射面から入射した光を第２色の光と第３色の光とに分離するとともに、前記各々の色に対応して配置された反射型液晶表示素子で反射した光のうち前記第２色の光と前記第３色の光を合成する分離合成面と、合成された光を出射する出射面を有する第２の偏光ビームスプリッタプリズムと、前記入射面に配置され且つ、前記第２色の光又は前記第３色の光の偏光を回転させる第１の波長選択性偏光回転素子と、前記出射面に配置され且つ、前記第２色の光又は前記第３色の光の偏光を回転させる第２の波長選択性偏光回転素子と、前記第１の偏光ビームスプリッタプリズムからの光と前記第２の波長選択性偏光回転素子からの光とを合成するダイクロイックミラープリズムと、前記ダイクロイックミラープリズムで合成された光を投写する投写レンズとを有するように構成する。
【００３１】
そして白色光源から出射した照明光をＲ、Ｇ、Ｂともに同一の偏光方向となるように偏光変換素子を配置し、該色分離光学系でまずＧ光をＲＢ光に対して分離する構成とした。
【００３２】
そして分離後のＲＢ光路中に該特定波長域の偏光を回転させる偏光回転素子を配置し、ＲとＢ照明光の偏光方向を互いに略９０度の角度を持ち交差する偏光へと変換し、偏光ビームスプリッタプリズムを使用してＲＢ光の分離を行う構成とした。また該偏光ビームスプリッタプリズムは反射型液晶表示素子により反射されたＲＢの映像光を合成する作用も持たせる構成とした。この時、Ｇ光と分離されたＲ光、Ｂ光は、特定波長域の偏光方向を回転させる偏光回転素子により、何れか一方の光が偏光方向を回転され、偏光ビームスプリッタプリズムに入射する。また該偏光回転素子はＧ光の領域である略５１０〜５８０ｎｍの帯域を境に特性が変化する構成とする。偏光ビームスプリッタにより偏光方向の異なるＲ光、Ｂ光は分離され、それぞれの反射型液晶表示素子入射し、反射され再度偏光ビームスプリッタプリズムに入射し、映像を得ると同時に再び合成される。
【００３３】
この構成により、１つの偏光ビームスプリッタプリズムで同時に２色の画像を得ることができ、小型かつ軽量な光学エンジンの設計が可能となる。また特定の波長域の偏光を回転させる偏光回転素子をＲ、Ｂ光の通過する光路中に配置することが出来、前記偏光回転素子の過渡域の波長であるＧ光は別の光路を通過させることにより、過渡域の光をカットすることなく、かつ高いコントラストを持つ映像を得ることが出来る。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００４８】
図１は、本発明の第１の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。
【００４９】
また図２に本実施例の中で使用されているＢ光のみの波長を回転させる偏光回転素子９及び１６の偏光の回転特性のグラフを示す。グラフの横軸は光の波長を表し、縦軸は偏光回転角を表す。図２に示すように本実施例に使用される偏光回転素子は、波長約５５０ｎｍの位置に偏光を回転させる中間点を持つ。
【００５０】
以下、図１を用いて本発明の第1の実施例を詳細に説明する。
【００５１】
光源１から放射された白色光は、リフレクタにより、略平行光２へと変換される。略平行光２は、Ｒ光の成分２Ｒ、Ｇ光の成分２Ｇ、Ｂ光の成分２Ｂから成り、偏光変換素子３によりＳ偏光へと変換され、ＲのＳ偏光４Ｒ、ＧのＳ偏光４Ｇ、ＢのＳ偏光４Ｂとなる。
【００５２】
反射ＲＢ透過ダイクロックミラー５に入射したＲのＳ偏光４Ｒ、ＢのＳ偏光４Ｂは、ダイクロイックミラー面を透過した後、偏光板７を透過しＰ偏光成分が吸収され、ＲのＳ偏光８Ｒ、ＢのＳ偏光８Ｂとなる。尚、この位置に偏光板７を配置する理由は、偏光変換素子３による偏光の整流化が十分ではなく、入射光４Ｒ、４Ｇ、４Ｂには一部Ｐ偏光が含まれ、画像のコントラストを劣化させるためである。偏光板７によりＰ偏光を吸収させることでより高いコントラストが得られる。
【００５３】
ＲのＳ偏光８ＲとＢのＳ偏光８Ｂは、Ｂ光の偏光を回転させるための偏光回転素子９に入射し、ＲのＳ偏光は変化せず、ＲのＳ偏光１０Ｒとなり、ＢのＳ偏光は偏光が回転し、ＢのＰ偏光１０Ｂとなる。偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射したＲのＳ偏光１０Ｒはスプリッタ面１１ａにより反射され、ＲのＳ偏光１２Ｒとなり、反射型液晶表示素子１３Ｒに入射する。ここで反射型液晶表示素子１３Ｒにより、明るく表示させる光は、ＲのＰ偏光１４Ｒとして反射され、暗く表示させる光はＲのＳ偏光のまま反射される。尚、図１では、暗く表示させる場合の光についてはＲ、Ｇ、Ｂともに省略する。明るく表示させる光、ＲのＰ偏光１４Ｒは、再び偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射し、今度はＰ偏光であるためスプリッタ面１１ａを透過し、ＲのＰ偏光１５Ｒとなる。
【００５４】
一方、Ｂ光の偏光を回転させる偏光回転素子９を透過したＢのＰ偏光１０Ｂは、偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射し、スプリッタ面１１ａを透過してＢのＳ偏光１２Ｂとなり、Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｂに入射する。ここでＢの反射型液晶表示素子１３Ｂにより、明るく表示させる光は、ＢのＳ偏光１４Ｂとして反射され、暗く表示させる光はＢのＰ偏光のまま反射される。明るく表示させる光、ＢのＳ偏光１４Ｂは、偏光ビームスプリッタ１１に再度入射し、今回はＳ偏光であるため、スプリッタ面１１ａにより反射され、ＢのＳ偏光１５Ｂとなり、ＲのＰ偏光１５Ｒと合成される。
【００５５】
合成されたＲのＰ偏光１５ＲとＢのＳ偏光１５Ｂは、Ｂ光の偏光を回転させるための偏光回転素子１６に入射し、ＲのＰ偏光１５Ｒは変化せずにＲのＰ偏光１９Ｒとなり、ＢのＳ偏光１５Ｂは偏光が回転し、ＢのＰ偏光１９Ｂとなる。Ｒ、Ｂ共にＰ偏光となったＲのＰ偏光１９ＲとＢのＰ偏光１９Ｂとは偏光ビームスプリッタプリズム２０に入射し、スプリッタ面２０ａを透過し、ＲのＰ偏光２１Ｒ、ＢのＰ偏光２１Ｂとなる。またこの時、ＲＢ光共に暗く表示させるＳ偏光が反射されるため、Ｒ、Ｂ光共に更にコントラストが改善される。
【００５６】
また、Ｇの光については、光源１より出射したＧの光２Ｇは、偏光変換素子３によりＧのＳ偏光４Ｇに変換された後、Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー５により反射され、偏光板２５に入射し、Ｐ偏光成分がほぼ完全にカットされ、ＧのＳ偏光２６Ｇとなり、偏光ビームスプリッタ２７に入射する。偏光ビームスプリッタ２７に入射したＧのＳ偏光２６Ｇは、スプリッタ面２７ａにより反射されＧのＳ偏光２８ＧとなりＧの反射型液晶表示素子２９Ｇに入射する。ここで明るく表示させる光はＧのＰ偏光３０Ｇとして反射され、再び偏光ビームスプリッタ２７に入射し、今回はＰ偏光であるため、スプリッタ面２７ａを透過して、ＧのＰ偏光３１Ｇとなる。ＧのＰ偏光３１Ｇはここで偏光回転素子３４に入射して偏光が回転され、ＧのＳ偏光３５Ｇとなる。
【００５７】
ＧのＳ偏光３５Ｇは、ここで偏光ビームスプリッタプリズム２０に入射し、スプリッタ面２０ａで反射されＧのＳ偏光３６Ｇとなり、ＲのＰ偏光２１Ｒ、ＢのＰ偏光２１Ｂと合成される。ここで合成された映像光はＲ及びＢはＰ偏光、ＧはＳ偏光の成分を持ち、投写レンズ２４によりスクリーン等に拡大投写される。
【００５８】
また本実施例では、各プリズムの上下面に黒色塗料を塗布した構成となっている。この構成により、偏光ビームスプリッタプリズムもしくはダイクロイックミラープリズム内部での内部反射を低減出来、高いコントラストを得ることが出来る。
【００５９】
本実施例によれば、映像のコントラスト特性について、Ｇの反射型液晶表示素子２９Ｇにより反射されたＧの映像光３１Ｇは、偏光ビームスプリッタプリズム２７のスプリッタ面２７aにより暗く表示させる光が十分に反射されるため、コントラストが高い。またＲの映像光は偏光ビームスプリッタプリズム１１、２０のスプリッタ面１１ａ、２０ａで暗く表示させる光が反射され、良好なコントラストを得ることが出来る。またＢの映像光は、偏光ビームスプリッタプリズム２０のスプリッタ面２０ａにより高コントラストにすることが出来る。
【００６０】
また、本実施例では、Ｂ光の偏光を回転させるための偏光回転素子９、１６が図２に示すような特性の場合でも、通過するＲ光及びＢ光は波長回転角の過渡域の波長の光を含まないため、通過後の楕円偏光が少なく、偏光板１８を通過した後に高い画像コントラストを得ることが出来る。更に上記偏光回転素子１６を使用するため、画像のコントラスト向上のために、Ｒ光とＧ光、及びＧ光とＢ光の間の光をカットする必要がなく、高い光利用率とすることができる。
【００６１】
また本実施例によれば、偏光変換素子３から反射型液晶表示素子１３Ｒ、２９Ｇ、１３Ｂまでの距離を略等しくすることが出来、色むらの少ない画像を得ることが出来る。また偏光変換素子３から反射型液晶表示素子までの距離、及び反射型液晶表示素子から投写レンズ２４までの距離を、共に反射型液晶表示素子の横辺の長さの約２．５倍にすることが出来、投写レンズのバックフォーカスの短縮化、及び光学系全体の小型軽量化、更には光利用効率の向上を同時に実現出来る。
【００６２】
図３は、本発明の第２の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。本発明の第２の実施例は、本発明の第１の実施例に対して、Ｒ、Ｂの映像光の光路中の偏光回転素子１６を除き、偏光ビームスプリッタ２０をダイクロイックミラープリズム３９に置き換えたものである。尚、ダイクロイックミラープリズム３９のダイクロイックミラー面３９aは、Ｇの波長域の光を反射し、ＲＢの波長域の光を透過させる性質を持つ多層薄膜である。
【００６３】
本実施例の光学系のＲ光、及びＢ光に対する作用は、偏光ビームスプリッタプリズム１１をから出射する前までは、第１の実施例と同様である。
【００６４】
偏光ビームスプリッタプリズム１１により合成されたＲのＰ偏光１５ＲとＢのＳ偏光１５Ｂは、Ｂ光の偏光を回転させるための偏光回転素子１６に入射し、ＲのＰ偏光１５Ｒは変化せずにＲのＰ偏光１９Ｒとなり、ＢのＳ偏光１５Ｂは偏光が回転し、ＢのＰ偏光１９Ｂとなる。Ｒ、Ｂ共にＰ偏光となったＲのＰ偏光１９ＲとＢのＰ偏光１９Ｂとはダイクロイックプリズム３９に入射し、ダイクロイック面３９ａを透過し、ＲのＰ偏光４１Ｒ、ＢのＰ偏光４１Ｂとなる。またこの時、Ｒ、Ｂ光共に暗く表示させるＳ偏光が反射されるため、Ｒ、Ｂ光共にコントラストが改善される。
【００６５】
また、Ｇの映像光３１Ｇに対する作用は、偏光ビームスプリッタ２７から出射するまでは、実施例１と同じとなり、その後にダイクロイックミラープリズム３９に入射する。
【００６６】
ダイクロイックミラープリズム３９に入射したＧのＰ偏光３１Ｇは、ダイクロイックミラー面３９ａで反射されＧのＰ偏光４１Ｇとなり、ＲのＰ偏光４１Ｒ、ＢのＰ偏光４１Ｂと合成される。ここで合成された映像光はＲＧＢ共にＰ偏光の成分を持ち、投写レンズ２４によりスクリーン等に拡大投写される。
【００６７】
本実施例によれば、第１の実施例の場合と同様の効果が得られると共に、偏光回転素子３４を省略し、装置を簡略化することが出来る。
【００６８】
また、本実施例においては、ダイクロイックミラープリズム３９をダイクロイックミラーに置き換えても同様な効果が得られる。またダイクロイックミラー５及び前記合成用ダイクロイックミラープリズムもしくはダイクロイックミラーのダイクロイック膜に傾斜膜等を自由設定できるので、均一な色純度の高い映像が得られる。
図４は、本発明の第３の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。
【００６９】
本発明の第３の実施例は、本発明の第２の実施例に対して、Ｒ、Ｂの液晶表示素子１３Ｒ、１３Ｂの位置を入れ替え、Ｒ、Ｂの照明光入射面の偏光板７をＢ光専用の偏光板４６に変更し、Ｂ光の偏光を回転させるための偏光回転素子９、１６をＲ光の偏光を回転させるための偏光回転素子４２、４３に変更したものである。
【００７０】
図５は、本実施例に使用したＢ光専用の偏光板の波長透過率特性及び全波長域用の偏光板の波長透過率特性を示すグラフである。図５に示すように本実施例に使用されるＢ光専用の偏光板は、Ｂの波長域の光に対しては偏光板として働くが、Ｒの波長域の光に対しては、吸収軸、透過軸共に透過し、偏光板としては働かない。
【００７１】
本実施例の光学系のＲ光、及びＢ光に対する作用は、Ｂ光専用偏光板４６に入射する以前、及びダイクロックプリズム３９に入射した以後は第２の実施例と同様である。
【００７２】
Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー５を透過したＢのＳ偏光４ＢはＢ光専用偏光板４６により、Ｐ偏光成分が吸収されＢのＳ偏光８Ｂとなる。ＢのＳ偏光８ＢはＲ光の偏光を回転させるための偏光回転素子４２を透過し、ＢのＳ偏光１０Ｂとなり、偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射する。偏光ビームスプリッタプリズム１１のスプリッタ面１１ａにより反射されたＢのＳ偏光１０ＢはＢのＳ偏光１２Ｂとなり、Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｂに入射する。Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｂにより反射されたＢ光は、明るく表示させる場合、ＢのＰ偏光１４Ｂとなり、再度偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射する。ＢのＰ偏光１４Ｂはスプリッタ面１１ａを透過する。この際、暗く表示させるＳ偏光はスプリッタ面１１ａにより反射されるため、Ｂの映像光は高いコントラストを持つことができる。ここでＢのＰ偏光１４ＢはＲ光の偏光を回転させるための偏光回転素子４３を透過し、ＢのＰ偏光１７Ｂとなってダイクロイックミラープリズム３９に入射する。
【００７３】
Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー５を透過したＲのＳ偏光４Ｒは、Ｂ光専用の偏光板４６を透過し、Ｒ光の偏光を回転させるための偏光回転素子４２を透過し、ＲのＰ偏光１０Ｒとなって、偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射する。ＲのＰ偏光１０Ｒは、スプリッタ面１１ａを透過するが、この際にＲのＳ偏光成分はスプリッタ面１１ａにより反射され、Ｓ偏光成分をほぼ含まないＲのＰ偏光１２Ｒとなり、Ｒの反射型液晶表示素子１３Ｒに入射する。Ｒの反射型液晶表示素子１３Ｒにより反射されたＲの映像光は、明るく表示させる場合、ＲのＳ偏光１４Ｒとなり、再度偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射する。スプリッタ面１１ａにより反射されたＲのＳ偏光１４ＲはＲ光の偏光を回転させるための偏光回転素子４３に入射し、ＲのＰ偏光１７Ｒとなり、ダイクロイックミラープリズム３９に入射する。ダイクロックプリズム３９に入射したＲの映像光は、ダイクロイック面３９ａにより、暗く表示させるＳ偏光が反射され、高いコントラストを持つＲのＰ偏光２１Ｒとなってダイクロックプリズム３９より出射する。
【００７４】
尚、本実施例の光学系のＧ光に対する作用は、第２の実施例とほぼ同様である。
【００７５】
本実施例によれば、本発明の第２の実施例とほぼ同様な効果が得られると共に、Ｒ、Ｂ用の照明光入射側の偏光板をＢ専用の偏光板とすることが出来、より高輝度化を図ることが出来る。
【００７６】
図６は、本発明の第４の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。
【００７７】
本発明の第４の実施例は、本発明の第１の実施例に対して、偏光ビームスプリッタプリズム１１と偏光回転素子１６と偏光ビームスプリッタプリズム２０と偏光回転素子３４と偏光ビームスプリッタ２７とを互いに貼り合わせたものである。
【００７８】
本実施例の光学系のＲ、Ｇ、Ｂ光に対する作用は、第１の実施例と同様である。
【００７９】
また本実施例の偏光ビームスプリッタ１１、２７は偏光ビームスプリッタ２０よりサイズが小さくなっている。これにより、反射型液晶表示素子から出射する映像光がプリズム側面でケラレない状態で光学系全体の構成を小型化出来る。
【００８０】
また、本実施例の構成により、偏光ビームスプリッタプリズムのような光学素子２０に角面取り部４９を設け、ここにこの支持部材を設ける、もしくはダイクロイックミラー５や偏光板７、２５のような光学部材の支持部を設けることで、光学部材の保持及び位置決めを容易にし、量産時における組み付け時間を短縮、さらに投射型映像表示装置全体のコスト低減も可能となる。
【００８１】
本実施例によれば、本発明の第１の実施例の場合とほぼ同様な効果が得られると共に、光学系全体の構成を小型化出来、また量産時における組み付け時間を短縮、さらに投射型映像表示装置全体のコスト低減も可能となる。
【００８２】
図７は、本発明の第５の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。
【００８３】
図７の実施例は、反射型液晶表示素子１３Ｒ、２９Ｇ、１３Ｂを３原色のＲ、Ｇ、Ｂに対応させた反射式３板液晶プロジェクタの装置全体を示している。
【００８４】
以下図７を用いて本発明の第５の実施例を詳細に説明する。
【００８５】
図７における光源１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光源である。
【００８６】
光源１から放射された白色照明光は楕円面または放物面または非球面の反射面を持つリフレクタ１ａにて略平行光へと変換され、第１のアレイレンズ１５０に入射する。第１のアレイレンズ１５０はリフレクタ１ａ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、前記略平行光を第２のアレイレンズ１５１上に複数の２次光源像として集光させる。第２のアレイレンズ１５１は第１のアレイレンズと略同一の外形サイズを持ち、また同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る。また第２のアレイレンズ１５１の個々の集光レンズは、第１のアレイレンズ１５０の個々のレンズ像を液晶表示素子１３Ｒ、２９Ｇ、１３Ｂに結像させる効果を持つ。
【００８７】
第２のアレイレンズ１５１を透過した白色照明光は第２のアレイレンズ１５１の各々のレンズの横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の幅を持つ菱形プリズムの列へ入射する。このプリズムの反射面には偏光ビームスプリッタ１５２の膜付けが施されており、入射光は、この偏光ビームスプリッタ１５２にてＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光は、そのまま偏光ビームスプリッタ１５２内を直行し、このプリズムの出射面に設けられた偏光回転素子１５３により、偏光方向が９０°回転され、Ｓ偏光となり出射される。一方、Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１５２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Ｓ偏光として出射される。
【００８８】
この菱形プリズム及び偏光回転素子１５３により、照明光はＳ偏光を持つ光へと変換される。
【００８９】
ここで、従来の反射型液晶表示素子を用いた投射型液晶表示装置では入射側偏光板と反射液晶表示素子の組合せにより、Ｓ偏光もしくはＰ偏光の一方向の偏光光しか使用出来ないため光量が約半分になっている。しかし、偏光ビームスプリッタ１５２及び偏光回転素子１５３を用いることで、光源１から出射されるランダムな偏光成分を持つ照明光の偏光方向を揃えて反射型液晶表示素子１３に入射させることができ、理想的には従来の投写型液晶表示装置の２倍の明るさが得られる。
【００９０】
また、第１、第2のアレイレンズ１５０、１５１は、リフレクタ１ａから出射した照明光を第1アレイレンズ１５０で分離し、第２アレイレンズ１５１により個々のアレイ像を再度液晶表示素子１３で重ね合わせることで、画面の中央、周辺部等での明るさむらの少ない均一な画質が得られる。
【００９１】
偏光ビームスプリッタ１５２から出射したＳ偏光成分の照明光はコンデンサレンズ１５４に入射する。コンデンサレンズ１５４は、1枚かまたは複数枚の構成であり、正の屈折力を有し、この照明光をさらに集光させる作用を持つ。コンデンサレンズ１５４を透過した照明光はミラー１５５、１５６により光軸方向を曲げられ、コンデンサレンズ１５７に入射する。このコンデンサレンズ１５７は、反射型液晶表示素子１３の周辺部に入射する照明光の主光線の偏光ビームスプリッタプリズムに対する入射角度をほぼ垂直にし、偏光ビームスプリッタプリズムの角度依存性から発生する色むらを低減させる。
【００９２】
次に、照明光はＧ透過ＲＢ反射ダイクロイックミラー１５８に入射する。尚、本実施例ではＧ透過ＲＢ反射ダイクロイックミラー１５８はダイクロイックミラープリズムでも同様の効果を持つ。照明光はここでＧ透過ＲＢ反射ダイクロイックミラー１５８により、Ｇ光とＲ、Ｂ光とに2分割され、それぞれの偏光板２５、７を透過した後、色専用の偏光ビームスプリッタ２７、１１に入射する。Ｇ光は直進し、Ｇ専用の偏光ビームスプリッタプリズム２７に入射することになる。この時入射光はＳ偏光なので偏光ビームスプリッタ反射面で反射され、Ｇ用反射型液晶表示素子２９Ｇへ入射する。また、Ｂ光とＲ光は偏光板７を透過し、その後Ｂ光波長域の光のみ偏光方向を回転させる偏光回転素子９を通過してＢ光の偏光をＳ偏光光からＰ偏光光に変換し、Ｒ、Ｂ専用偏光ビームスプリッタプリズム１１に入射する。ここでＢ光は、ＲＢ専用偏光ビームスプリッタ１１を直進してＢ用反射型液晶表示素子１３Ｂに入射する。一方、Ｒ光はＳ偏光のままとなり、Ｒ、Ｂ専用偏光ビームスプリッタ１１の反射面にて反射された後、Ｒ用反射型液晶表示素子１３Ｒに入射する。
【００９３】
尚、上記配置例はひとつの具体例であり、本実施例はこれに限定するものではなく、ＲがＰ偏光光に変換され、ＲとＢの反射型液晶表示素子の位置を入れ替えてもよく、これとは別にＲ、Ｂの反射型液晶表示素子１３Ｒ、１３Ｂ及び偏光ビームスプリッタ１１と、Ｇの反射型液晶表示素子２９Ｇ及び偏光ビームスプリッタプリズム２７との位置を入れ替る等、実施例１から４に示す光学系を使用した場合も本実施例が有する効果を得ることは出来る。
【００９４】
入射照明光はその後、各色用の反射型映像表示素子１３で映像信号に応じて偏光を回転された映像光に変換され、再び各色専用偏光ビームスプリッタ１１、２７に入射し，反射面にてＳ偏光は反射され、Ｐ偏光は透過する。
【００９５】
この反射型映像表示素子１３Ｒ、３９Ｇ、１３Ｂは、表示する画素に対応する（例えば横１０２４画素縦７６８画素各３色など）数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、各画素の偏光回転各角度が変わり、明るく表示させる光に対しては入射の偏光方向と直交方向になった光が反射され、偏光ビームスプリッタ１１、２７により投写レンズ２４に向かって映像光が出射される。また暗く表示させる場合は、反射光は入射光と同一方向の偏光方向となり、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。
【００９６】
その後、映像光となったＲＧＢ各色の光はＧ透過ＲＢ反射ダイクロイックミラープリズム１５９により再び合成されて、例えばズームレンズであるような投写レンズ２４を通過し、スクリーンに到達する。前記投写レンズ２４により、反射型液晶表示素子１３Ｒ、２９Ｇ，１３Ｂに形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。この３枚の反射型液晶表示素子を用いた反射型液晶表示装置は、電源１６０により、ランプ、パネル等の駆動を行っている。
【００９７】
従って、本発明によるＧ専用、ＲＢ専用偏光ビームスプリッタを２個用いる構成は小型、軽量化を達成できるとともに、さらには色純度を制御でき、さらに色むら等を改善し、性能向上を同時に実現することができ、コンパクトで高輝度、高画質の投射型映像表示装置を実現できる。
【００９８】
また本発明の投写型映像表示装置は、反射型液晶表示素子の略直前に配置される偏光ビームスプリッタを入射される特定波長帯域の光に対し、そのＰ偏光光の透過効率あるいは反射効率、Ｓ偏光光の透過効率あるいは反射効率がピーク値をとるように、限定波長域専用の膜付けを施した構成、たとえば５００ｎｍ近傍から６００ｎｍ近傍迄の波長帯域のＧ光専用の最適な誘電体多層膜付けを施したＧ専用偏光ビームスプリッタ２７、４００ｎｍ近傍から５００ｎｍ近傍迄と、６００ｎｍ近傍から７００ｎｍ近傍迄の2つ以上の波長帯域でのＲ光およびＢ光専用の最適な誘電体多層膜付けを施したＲＢ専用ビームスプリッタ１１を用いる事が出来、誘電体多層膜の膜付けが容易となり、かつ透過効率および反射効率、さらには上記検光効率も従来よりも向上する。このため、高精度な色再現性と高輝度および高効率コントラストの両立化を実現した反射型液晶表示装置を提供できる。さらに、場合によりダイクロイック膜に傾斜膜を付加することにより、より均一性のとれたかつ色純度の高い映像を提供できる。
【００９９】
また、本発明の投写型映像表示素子は、Ｇ光とＲ、Ｂ光とを分離した後で、且つ偏光ビームスプリッタプリズム１１、２７に入射する前に、偏光板２５、７を設置する構成であることから、偏光板の光入射面にＧ光及びＲ光の色純度を補正するカラーフィルタもしくはダイクロイックフィルタ１６１、１６２等を設けることが容易となり、高い単色の色純度と高光利用率を両立させることが出来る。
【０１００】
図８は、本発明による第６の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。本発明の第７の実施例は、本発明の第５の実施例に対して、コンデンサレンズ１５７を３つ、１６３Ｒ、１６３Ｇ、１６３Ｂとし、設置位置を反射型液晶表示素子１３と偏光ビームスプリッタプリズム２７、１１の間としてある。また色分離ダイクロイックミラーのダイクロイック薄膜は傾斜薄膜である。
【０１０１】
また、本実施例では、反射型液晶表示素子１３とコンデンサレンズ１６３とを一体化しているが、離して設置した場合、もしくはコンデンサレンズ１６３を表裏逆に設置して偏光ビームスプリッタプリズム２７、１１と一体化した場合も同様の効果を得ることが出来る。
【０１０２】
本実施例の光学系のＲ、Ｇ、Ｂ光に対する作用は、第５の実施例とほぼ同様である。また本実施例は、コンデンサレンズの位置を反射型液晶表示素子の略直前とすることで、偏光ビームスプリッタ２７、１１及びダイクロイックミラープリズム１５９内での内面反射を少なくし、よりコントラストの高い高画質な画像を得ることが出来る構成となっている。
【０１０３】
また、本実施例ではダイクロイックミラーに入射する画面周辺部に対応した照明光の主光線の角度が画面中心に対応した主光線に対して平行でなくなるため画像の左右方向にに色むらが発生しやすいが、ダイクロイック薄膜を傾斜薄膜とすることで色むらの少ない画像を得る事が出来る。
【０１０４】
また、本実施例では、コンデンサレンズ１６３の第１合成焦点を投写レンズ２４の絞り面近傍に設定し、且つコンデンサレンズ１６３の中心軸を反射型液晶表示素子１３の中心と一致させ、且つ投写レンズ２４の中心軸をパネル中心に対して上方に偏心させることで投写画像をプロジェクタセットに対して上方に偏心させると共に、画像中心と周辺部との輝度差の少ない良好な画像を得ることが出来る。
【０１０５】
図９は、本発明による第７の実施例の液晶プロジェクタ光学系の概略上面図である。本発明の第７の実施例は、本発明の第６の実施例に対して、コンデンサレンズ１６４を設置し、且つコンデンサレンズ１６５とコンデンサレンズ１６４との合成された焦点距離が、前記実施例６のコンデンサレンズ１６３とほぼ同じになるように設定したものである。
【０１０６】
本実施例の光学系のＲ、Ｇ、Ｂ光に対する作用は、第６の実施例とほぼ同様である。本実施例は、コンデンサレンズを２つに分けることにより、コンデンサレンズ１６５のパワーをより小さく設計出来、画像のフォーカス劣化を少なくする作用を持つ。また偏光ビームスプリッタプリズム１１、２７を通過する主光線の角度をより小さく出来るので、色むらの発生をより小さくすることが出来る。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光の利用率が高く、かつ画像のコントラストの高い液晶プロジェクタ用光学エンジン及びそれを用いた液晶プロジェクタを得ることが出来る。
【０１０８】
また、本発明によれば、小型・軽量で、画像の色むらが少なく、かつフォーカス性能の良い液晶プロジェクタ用の光学エンジン及び液晶プロジェクタを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図２】本発明の第１の実施例の液晶プロジェクタ光学系に使用される偏光回転素子であって、Ｂ光の偏光を回転させるための偏光回転素子の波長特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図４】本発明の第３の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図５】本発明の第１の実施例の液晶プロジェクタ光学系に使用される偏光板であって、Ｂ光に対し偏光吸収特性を持つ偏光板の透過率を示すグラフである。
【図６】本発明の第４の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図７】本発明の第５の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図８】本発明の第６の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図９】本発明の第７の実施例の液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図１０】従来の反射型液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図１１】従来の液晶プロジェクタ合成光学系の上面図である。
【図１２】従来の反射型液晶プロジェクタ光学系の上面図である。
【図１３】偏光ビームスプリッタプリズムの波長透過率特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…光源、３…偏光変換素子、５…Ｇ反射ＲＢ透過ダイクロイックミラー、７…偏光板、９…Ｂ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、１１…偏光ビームスプリッタ、１３Ｒ…Ｒの反射型液晶表示素子、１３Ｂ…Ｂの反射型液晶表示素子、１６…Ｂ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、１８…Ｂ光のみの偏光を吸収する性質を持つ偏光板、２０…偏光ビームスプリッタ、２４…投写レンズ、２５…偏光板、２７…偏光ビームスプリッタ、２９Ｇ…Ｇの反射型液晶表示素子、３４…偏光回転素子、３９…ダイクロイックミラープリズム、４２…Ｒ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、４３…Ｒ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、４６…偏光板、４９…角面取り部、８３ａ…偏光板、８５…偏光ビームスプリッタプリズム、８６…色分離合成プリズム、８６Ｒ…Ｒ反射ダイクロイックミラー、８６Ｂ…Ｂ反射ダイクロイックミラー、８７Ｒ…Ｒの反射型液晶表示素子、８７Ｇ…Ｇの反射型液晶表示素子、８７Ｂ…Ｂの反射型液晶表示素子、８９…偏光板、９０…投写レンズ、９３Ｒ…Ｒの画像表示素子、９３Ｇ…Ｇの画像表示素子、９３Ｂ…Ｂの画像表示素子、９５…偏光ビームスプリッタプリズム、９６…Ｇ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、９８…偏光ビームスプリッタ、９９…Ｂ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、１０１…投写レンズ、１１０…ＲＧ光源、１１２…偏光変換素子、１１３…Ｇ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、１１５…偏光ビームスプリッタプリズム、１１６Ｒ…Ｒの反射型液晶表示素子、１１６Ｇ…Ｇの反射型液晶表示素子、１１７Ｒ…ＲのＰ偏光、１１７Ｇ…ＧのＳ偏光、１１８…Ｇ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、１２０…偏光ビームスプリッタプリズム、１２２…Ｂ光のみの偏光を回転させる偏光回転素子、１２３…偏光板、１２４…投写レンズ、１２５…Ｂ光源、１２７…偏光変換素子、１３０Ｂ…Ｂの反射型液晶表示素子。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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