JP2004070095A - 光導波路、光学ユニット及びそれを用いた映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源からの光を集光光として特定位置に集光させる光源集光手段と、この特定位置近傍に入射面よりも出射面の面積が大きく、かつ、入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えた光導波路光を光源と映像表示素子との間に介在させ、映像表示素子に照明光を照射しカラー映像を投射レンズから投射する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネル、又は映像表示素子などのライトバルブ素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の光学ユニット、投射型映像表示装置に係わり、特にライトバルブ素子に入射する照明光学系からの光の分布を均一化するインテグレータ素子の技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、液晶パネル等のライトバルブ素子に、超高圧水銀ランプなどの光源からの光を当てて、ライトバルブ素子上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投写型映像表示装置が知られている。
【0003】
この種の映像表示装置は、光源からの光をライトバルブ素子で画素毎の濃淡に変えて調節し、スクリーンなどに投射するものである。例えば、液晶表示素子の代表例であるツイステッド・ネマティック(TN)型液晶表示素子は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方向が互いに90°異なるように2枚の偏光板を配置したものであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させる作用と、偏光板の偏光成分の選択作用とを組み合わせることにより、入射光の透過光量を制御して画像情報を表示するようになっている。近年、こうした透過型あるいは、反射型あるいは、偏光変換の不要なマイクロミラー型の映像表示素子では、素子自体の小型化が進むとともに、解像度等の性能も急速に向上している。
【0004】
このため、この映像表示素子等のライトバルブ素子を用いた表示装置の小型高性能化も進み、単に従来のようにビデオ信号等による映像表示を行うだけでなく、パーソナルコンピュータの画像出力装置としての投射型映像表示装置も新たに提案されている。この種の投射型映像表示装置には、特に、小型であることと、画面の隅々まで明るい画像が得られることが要求される。しかし、従来の投射型映像表示装置は、大型であったり、また最終的に得られた画像の明るさ、画質等の性能が不十分であるといった問題があった。
【0005】
例えば、液晶表示装置全体の小型化には、ライトバルブ素子、すなわち液晶表示素子自体の小型化が有効であるが、液晶表示素子を小型化すると液晶手段による被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束量に対する照明手段による被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束量に対する液晶表示素子上の光束量の比率(以下、これを光利用効率という)が低くなり、また、画面周辺部が暗い等の問題が生じる。さらに、液晶表示素子は一方向の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を発する光源からの光の約半分は利用されない。光源からのランダムな偏光光を一方向の偏光方向に揃えて液晶表示素子に照射する光学系としては、特開平4−63318号公報に開示されているような偏光ビームスプリッターなどの偏光変換素子を利用して、光源から出射するランダムな偏光光をP偏光光とS偏光光に分離してプリズムを用いて合成するものがある。
【0006】
これを用いて光源からの光の偏光光をS偏光ないしP偏光のどちらかに揃えて、かつ、画面周辺で明るい画像を得る手段として、特開平3−111806号公報に記載されている2枚のアレイレンズを用いたインテグレータ光学系がある。
【0007】
インテグレータ光学系は、光源からの光を第1アレイレンズを構成している複数の矩形開口形状の集光レンズによって分割して、各矩形開口形状の出射光を各矩形開口形状の集光レンズに対応した集光レンズ群により構成した第2のアレイレンズにより照射面(映像表示素子)に重畳結像させるものである。この光学系では、映像表示素子を照射する光の強度分布をほぼ均一にすることができる。
【0008】
しかし、従来のインテグレータ光学系においては、従来のマイクロレンズ付きの液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性を向上しようとすると、照明系のF値をF2から3近くに設定しなければならない。
【0009】
したがって、第1アレイレンズの矩形開口形状の集光レンズの大きさと映像表示素子の大きさとの比率、すなわちインテグレータ光学系の倍率に対応して、インテグレータ光学系である第1アレイレンズと第2アレイレンズ間の距離が、所定量必要となるため、第2アレイレンズに集光する各々光のスポットが、光源の発散成分により大きくなる。したがって、第2アレイレンズおよびこの近傍に配置されている短冊状に配列された偏光変換素子の開口を通過する光の効率に限界が生じるが、
この問題に関し、従来のインテグレータ光学系は考慮されていない。
【0010】
また、従来の光学系においては、特に反射型液晶表示装置を用いた照明光学系では、上記偏光ビームスプリッタと反射型液晶表示素子を組合せて、映像のON及びOFF及び階調表現に応じて偏光方向を変換することで検光し、その後投射レンズにより映像をスクリーン上に投射する構成となっている。この場合、偏光ビームスプリッタに起因して、色むらやコントラスト低下が問題となる。
【0011】
すなわち、光の入射角度に対するP偏光光の透過率およびS偏光光の反射率の特性が変化するため、照明光学系の所定角度の光に対して偏光ビームスプリッタの透過率および反射率ムラが生じる。これにより、スクリーンに投影される画質の劣化が発生する。 しかし、この発明では、照明光のF値に左右される入射光線角度を低減し、かつ光利用効率を向上することについては考慮されていない。
【0012】
さらには、入射光線角度に対応して、波長シフトを引き起こすダイクロイックミラーやXプリズム等に入射する光線角度を低減することが考慮されていない。これにより映像表示装置として、光利用効率の低下及び、色度性能の低下の問題が発生する。
【0013】
また、映像表示装置はコントラストが重要な性能の一つであるが、コントラスト向上のために、照明系と投射レンズF値を1.5から場合により3以上にするのが効果的であるが、従来のインテグレータ構成では、2枚のアレイレンズ間の距離がF値の大きくなればなるほど、長くなり、光利用効率が激減する。したがって、照明系のF値を大きくしてコントラストを向上させることと、光利用効率を向上して明るさを向上させることとは、相反する問題が発生していた。
【0014】
以上より、映像表示装置の明るさを維持しながら、コントラスト及び画質を向上する光学系の提案および投射型映像表示装置自体の大きさ低減および重量低減およびコスト低減という観点からの対応が必要となっている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術では、映像表示装置の明るさ及び画質上の性能を確保しつつ、装置自体の大きさ低減、重量低減及びコスト低減を実現する方法が課題となっている。すなわち、明るさ確保、コントラスト向上、色性能向上、装置自体の大きさ低減、重量低減、コスト低減のために、インテグレータ光学系の工夫による偏光ビームスプリッタと色分離合成手段であるダイクロイックプリズムと偏光板の光効率向上と、映像表示素子に入出射するための方式の工夫と、それぞれの効率的な配置の工夫が必要となっている。
【0016】
本発明では、上記した従来技術での課題事項に関して、小型・低コスト下で、明るさや高画質性能を確保できる映像表示技術の提供が目的である。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、光を放射する光源ユニットと、該光源ユニットから出射された光を複数色の光に分離する色分離手段と、該色分離手段の出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子上に照射させる作用を有する照明光学系と、該映像表示素子から出射した光を投射する投射手段とで構成される投射型光学ユニットであって、入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を有する光導波路で構成されるインテグレータ素子を前記光源ユニットと前記映像表示素子の間に有し、該インテグレータ素子の出射開口形状は、前記映像表示素子に照射される光の形状と相似形を成すように構成する。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、幾つかの実施例を用い、図を参照して説明する。
【0019】
図1に示す、図1(a)は、本発明による光学ユニットの第1の実施例であり、図1(b)は、本発明のインテグレータ素子3の第1の実施例である。
【0020】
図1(a)において、1は該光源ユニットの光源部、2は、楕円面、放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、3は、本発明の入射開口30と出射開口31の大きさが異なり、かつ出射開口31の大きさが、入射開口30より大きくなるインテグレータ素子である。出射開口31は映像表示素子12と相似形状をなしており、この出射開口から出射された光は結像レンズ群6、7、8により、映像表示素子12上に結像される。
【0021】
すなわち、出射開口31の矩形形状である照明光を物として、映像表示素子12すなわち矩形形状のパネルに結像させ、照明光を集光させる光学ユニットである。
【0022】
本発明のインテグレータ素子3内は光導波路としてライトパイプを形成しており、入射した光は、内面反射を繰り返して、やがて、出射開口部で略均一の光分布になる。また、ライトパイプの側面は出射面にむかって傾斜しているため、入射光線のF値よりも出射光線のF値が大きくなり、光線角度の発散成分を低減することが可能となる。これによりF値変換機能を有する。
【0023】
本実施例では、光源1の光をリフレクタ2で集光した光を一本の本発明のインテグレータ素子3に入射させるが、LED光源、レーザ光源、FED光源、EL光源なプラズマ光源などの発光体を複数列配列した場合に、その出射面に本インテグレータ素子3を各ピッチが略同一となるように複数列配置し、それぞれの発散角度成分を補正制御し、それぞれ個々の発光体の出射光線角度を小さくして、発散成分を低減できる効果もある。もちろん、マイクロレンズや、リフレクタを配列して、ある程度光線角度を制御してから、本発明のインテグレータ素子3の配列にそれぞれ入射させれば、さらに効果的に出射光線の角度を小さく制御することができる。すなわち指向性を高めることが可能である。
【0024】
当然、いつの発行体光源の場合も本発明のインテグレータ素子3を用い、同様の効果を得ることが可能である。
【0025】
図1(b)において、インテグレータ素子3の具体例を示す。
入射面と同じ入射開口30の横寸法をx1、縦寸法をy1、出射面と同じ出射開口31の横寸法をx2、縦寸法をy2とし、ライトパイプの縦の片側広がり角度をθ1、横の広がり角度をθ2とすると、
x1<x2、y1≦y2、
かつ x1×y1<x2×y2の条件が成り立つ場合、
θ1>0°およびθ2≧0°を満たすライトパイプ、
あるいは
x1≦x2、y1<y2、
かつ x1×y1<x2×y2の条件が成り立つ場合、
θ1≧0°およびθ2>0°が成立するライトパイプ
が本発明のインテグレータ素子3となり得る。
【0026】
このとき、光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射開口部に向かって、各所定角度θ1およびθ2で略傾斜し、上下左右に開口面積が変化し、広がっていく構成で、かつ、この所定角度をθ1およびθ2°、入射光線の縦方向のF値をF1t、出射光線の縦方向のF値をF2tを必要とした場合、
θ1≦(tan―1(0.5/F1t)―tan―1(0.5/F2t))/2
もしくは、入射光線の横方向のF値をF1y、出射光線の横方向のF値をF2yを必要とした場合、
θ2≦(tan―1(0.5/F1)―tan―1(0.5/F2))/2
が成立するようにθ1およびθ2を選択すると、本発明のインテグレータ素子3が構成できる。
【0027】
もちろん縦方向と横方向を定義するのは、断面が矩形形状のライトパイプを想定しているが、この断面を変えることも可能であり、さらにインテグレータ素子3の後の光学系でF値の制約のない方は、例えば横方向だけは、θ2=0°として、ライトパイプを形成することも可能である。
【0028】
図2は、本発明のインテグレータ素子3の第2の実施例である。
【0029】
(a)図は図1で説明しているインテグレータ素子3であり、入射面の入射開口30よりも出射開口31のサイズが大きくなっている構成である。この入射開口30と出射開口31の形状は相似の矩形形状を示している。かつ本出射開口31の矩形形状は、映像表示素子(図示せず)の矩形形状もしくは、映像表示素子上に照射する照明光の形状と類似形状としている特徴を持つ。
【0030】
(b)図は、入射開口30から出射開口31までの広がりが、リニヤでないライトパイプであり、徐々に広がって所定のF値の出射光線が得られるように設計されている。すなわち、入射光線のF値の光がライトパイプ内で反射回数が増加するように、最初の入り口近傍は側面の広がり角度が小さく平行に近い形状とし、できるだけ反射回数を増加し、均一性を高め、後半はF値可変を行うために除々に広がり角度を増加させている構成である。
【0031】
これにより、ライトパイプの長さを短くすることが可能で、光学ユニットの小型化および、ライトパイプのコスト、重量を低減できる。
【0032】
(c)図は(b)図のインテグレータ素子3と同様の効果を狙ったもので、除々に角度を付けるのではなく、2段ないしn段の広がり角度の異なったライトパイプを組合せている。すなわち3aのライトパイプと3bのライトパイプをそれぞれのつなぎ目に損失がでないように貼り合せなどにより結合させている。もちろん、一体に成形できれば、これに越したことはない。
【0033】
(d)図は、(b)図のインテグレータ素子3と同様の効果を狙ったもので、除々に角度を付けるのではなく、2段ないしn段の広がり角度の異なったライトパイプを組合せ、かつ初段のライトパイプ3cを上下左右の側面が平行に配列されている構成を示している。すなわち3cのライトパイプと3dのライトパイプをそれぞれのつなぎ目に損失がでないように貼り合せなどにより結合させている。もちろん、一体に成形できれば、これに越したことはない。
【0034】
3cのライトパイプは従来のライトパイプと同様であり、入射光線角度を保持したまま、反射を繰り返すので、反射回数が増え、出射光の明るさ分布の均一性が、より均一になり、後の入射開口より出射開口が大きくなるライトパイプ3dにより出射光線角度が小さく制御され、入射光線のF値より出射光線のF値が大きくなって、光の発散成分を低減できる。すなわち、本発明のインテグレータ素子3をもちいれば、光学デバイスの性能を最大限に引き出すことができる。
【0035】
もちろん、(c)図、(d)図に示したものは一例であり、n段のライトパイプで構成されていても良く、さらには、初段のライトパイプは、入射面より出射面の方が小さくなる構成にして、入射光線がライトパイプの側面で反射するたびに、急峻な角度にして、出きるだけ反射回数を増やし、出射光線の光分布の均一性をさらに向上してから、最終段のライトパイプの出射面まで連続してライトパイプの断面を拡張していっても良い。このとき、当然、F値可変機能が必要となるので、初段の入射面30のサイズより最終段のライトパイプの出射面31のサイズの方が大きくなることはいうまでもない。
【0036】
図3は、本発明のインテグレータ素子3の第3の実施例である。
【0037】
図3(a)において、1は該光源ユニットの光源部、2は、楕円面、放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、3は、本発明の入射面33と出射面35の大きさが異なり、かつ出射面35の大きさが、入射面33より大きくなるインテグレータ素子である。
【0038】
さらに、本実施例では、入射面33に設けられた入射開口34は円形形状であり、入射面33のサイズよりも小さい。
【0039】
この入射開口34の外側の入射面は、反射ミラーが設けられており、出射面から戻ってきた光の内、入射開口34から漏れていかない光を補足し、反射して出射面に折り返す効果がある。一方、出射面35は、出射開口36とそれ以外の部分に反射ミラーが設けられており、この出射開口36にて、所定の出射光線形状に成形し、この出射開口36から出射した利用可能な光以外で、反射ミラーで反射された従来は損失していた光を、再度ライトパイプ上を入射面33方向に逆進行させ、前記、入射面に設けられた反射ミラー33により、一部反射して戻し返され、今度は、出射開口36から一部を再利用することが可能である。このとき、当然、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図2と同様に高効率が得られる効果がある。この出射開口形状は、本実施例は細長い矩形形状となっている。
【0040】
本発明のインテグレータ素子3では、この形状は、自由に制御可能であり、スクロール光学系など、パネル上でパネルサイズの縦あるいは横幅の1/3あるいは1/4の幅のRGB光もしくはRGBW光などの色光帯幅を必要とする場合や、パネルに斜めに入射する場合の歪を補正したり、パネル形状がアスペクト比16:9やシネマモードのアスペクト比を必要とする場合に、自由に設定可能である。
ただし、入射面33の面積より、出射面35すなわち図の斜線部の反射ミラー部と出射開口36を足した面積の方が大きくなる構成である。
【0041】
もちろん、上下左右のライトパイプの側面は、左右は平行に構成され、かつ上下のみ傾斜して断面が大きくなっても良いし、左右のみが傾斜して出射面方向に断面が大きくなっていく形状でもよい。これにより、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図2と同様に高効率が得られる効果がある。
【0042】
図(b)は、図(a)と同様の効果を可能にしている実施例である。
【0043】
すなわち、出射面35は斜線部の反射ミラー部と出射開口36を備えており、この出射開口36の位置は中心近傍に配置され、その上下両側に反射ミラー部が設けられている。これにより、光軸中心を維持でき、光学部品の配置および設計が容易になる。また、反射回数がライトパイプの側面の上下面で、同等回数となるため、極力ライトパイプを短くしたい場合に、出射開口36から出射する光の分布が上下でバランスが良く、均一性がより短い距離で確保できる効果がある。
【0044】
図4は、本発明のインテグレータ素子3の第4の実施例である。
【0045】
図4(a)において、1は該光源ユニットの光源部、2は、楕円面、放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、3は、本発明の入射面33と出射面35の大きさが異なり、かつ出射面35の大きさが、入射面33より大きくなるインテグレータ素子である。
【0046】
さらに、本実施例では、入射面33に設けられた入射開口34は円形形状であり、入射面33のサイズよりも小さい。円形形状であるのは、光源ユニットから入射する光線のスポットが円形に近い形状となっているためであり、光源スポットの形状により順次形状を設定しても良い、たとえばLEDなどの発光体からの入射光線の形状が、矩形ならば、矩形でも良い。但し、入射面33の面積よりも入射開口34は小さいことが条件である。すなわち、本発明の場合、反射ミラー部が必ず必要となる。この入射開口34の外側の入射面は、反射ミラー、図の斜線部が設けられており、出射面から戻ってきた光の内、入射開口34から漏れていかない光を補足し、反射して出射面に折り返す効果がある。一方、出射面35は、出射開口すなわち、図の偏光板5の出射開口と同じであるが、それ以外の部分に反射ミラー、図の斜線部が設けられており、この出射開口にて、所定の出射光線形状に成形し、この出射開口から出射した利用可能な光以外で、反射ミラーで反射された従来は損失していた光を、再度ライトパイプ上を入射面33方向に逆進行させ、前記、入射面に設けられた反射ミラー33により、一部反射して戻し返され、今度は、出射開口から一部を再利用することが可能である。このとき、当然、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図2と同様に高効率が得られる効果がある。この出射開口形状は、本実施例は細長い矩形形状となっている。
【0047】
本発明のインテグレータ素子3では、この形状は、自由に制御可能であり、スクロール光学系など、パネル上でパネルサイズの縦あるいは横幅の1/3あるいは1/4の幅のRGB光もしくはRGBW光などの色光帯幅を必要とする場合や、パネルに斜めに入射する場合の歪を補正したり、パネル形状がアスペクト比16:9やシネマモードのアスペクト比を必要とする場合に、自由に設定可能である。
【0048】
ただし、入射面33の面積より、出射面35すなわち図の斜線部の反射ミラー部と出射開口、図の偏光板5の面積を足した面積の方が大きくなる構成である。
【0049】
もちろん、上下左右のライトパイプの側面は、左右は平行に構成され、かつ上下のみ傾斜して断面が大きくなっても良いし、左右のみが傾斜して出射面方向に断面が大きくなっていく形状でもよい。これにより、入射光線角度よりも最終的に出射した光線角度のほうが小さいので、図2と同様に高効率が得られる効果がある。
【0050】
さらに、本実施例では、出射面35の出射開口に1/4波長位相差板4と偏光板5を設けている。この1/4波長位相差板4は、フィルム波長板、水晶板、蒸着膜による波長板などが、利用可能であるが、耐熱性の観点から水晶や蒸着膜の方が信頼性や性能が高い。また偏光板5は、平板状の偏光板であり、これは金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板、すなわち微細周期格子型の偏光板もしくは、フィルム型偏光板、もしくは多層膜偏光板もしくは、平板型偏光ビームスプリッタであり、P偏光光もしくはS偏光光のどちらか一方を透過し、もう片方の偏光光を反射して、1/4波長位相差板4に戻す機能を持つ構成である。
【0051】
これも、金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板であれば、反射効率も高くなり、光効率向上が望める。
【0052】
出射面35の反射ミラーで反射されずに、正規に出射してきた光は、1/4波長位相差板4を通過して円偏光のまま、偏光板5に入射してP偏光光あるいはS偏光光のどちらか一方が通過していく。残りの偏光光は前記のように戻り、1/4波長位相差板4で位相差を発生させられ、反射ミラーで反射した光同様に、ライトパイプ3内を入射側へ逆進行していく。後は同様に入射面の反射ミラーにより一部反射され、再度出射面に到達して、1/4波長位相差板4を再度通過し、このとき位相が1/2波長ずれるので、今度は偏光板5を通過できる偏光光に変換されて、無事に偏光板5を通過して再利用できる。
【0053】
したがって、図3で説明したF値可変機能と、出射光形状の制御機能と、従来の損失光の再利用機能に加え、P偏光光とS偏光光を分離し、どちらか一方の偏光光に変換する偏光変換機能も同時に有する効果がある。
【0054】
もちろん、入射開口、すなわち図(a)の偏光板5の面積が、出射面35の大きさと同じであってもよく、この場合は偏光変換機能とF値可変機能を有する構成となる。この組合せは自由であるが、本発明の基本はF値可変機能が必然であるので、この機能に付加機能を加えていく構成となる。
【0055】
図(b)は、図(a)と同様の効果を可能にしている実施例である。
【0056】
すなわち、出射面35は斜線部の反射ミラー部と出射開口、すなわち偏光板5を備えており、この出射開口の位置は中心近傍に配置され、その上下両側に反射ミラー部が設けられている。これにより、光軸中心を維持でき、光学部品の配置および設計が容易になる。また、反射回数がライトパイプの側面の上下面で、同等回数となるため、極力ライトパイプを短くしたい場合に、出射開口から出射する光の分布が上下でバランスが良く、均一性がより短い距離で確保できる効果がある。
【0057】
図5は本発明による光学ユニットの第2の実施例を示す。
【0058】
本第5の実施例は、色分離手段で電子的もしくは光学的もしくは機械的に色分離した光を、プリズム状の誘電体多層膜型もしくは平板状の微細周期格子型偏光ビームスプリッタを用いて1個の反射型表示素子に照射して映像表示する場合のスクロール光学系の構成例である。
【0059】
図5において、1は該光源ユニットの光源部、2は、楕円面、放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、3は、本発明の入射開口と出射開口の大きさが異なり、かつ出射開口の大きさが、入射開口より大きくなるインテグレータ素子、4は、1/4波長位相差板、5は1/4波長位相差板からの出射光をP偏光光とS偏光光とに分離して出射する平板状の偏光板であり、これは金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板、すなわち微細周期格子型の偏光板もしくは、フィルム型偏光板、もしくは多層膜偏光板もしくは、平板型偏光ビームスプリッタであり、P偏光光もしくはS偏光光のどちらか一方を透過し、もう片方の偏光光を反射して、1/4波長位相差板に戻す機能を持つ構成であり、6、7及び8はそれぞれ、光を結像する第1結像レンズ群、9は、色分離手段である色分離プリズム群であり、この場合はRGBの各色をそれぞれ分離するダイクロイックプリズム9a、9b、9cをアレイ状に配置したダイクロイックプリズム群であり、電子的制御によって入射光を順次色分離する電子的色分離手段でもよい、10は、微細周期格子型偏光素子から成り、反射により光路の方向を変え、かつ偏光光の純度を向上させる微細周期格子型反射手段、4bは偏光方向を調整する1/4波長位相差板、17a、17bは所定方向の偏光光を通す偏光板、12は反射型液晶パネル等の反射型表示素子、23は投射レンズユニット、18は、誘電体多層膜からなる偏光ビームスプリッタプリズムもしくは微細周期格子型偏光素子から成る平板状の偏光ビームスプリッタで、入射光をP偏光光とS偏光光に分離する偏光ビームスプリッタである。上記第1のアレイレンズ2から該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ17及び1/4波長位相差板4cまでの光学系は、上記反射型表示素子12に対する照明光学系を構成する。
【0060】
上記構成において、上記光源ユニットの光源部1から出た光は、楕円面または放物面または非球面のリフレクタ2にて反射集光され、上記インテグレータ光学素子3にて出射開口形状である矩形ないし所定の形状の光源像を形成した後、上記結像レンズ群6、7、8で2次光源像を反射型回転多面体13の略々近傍に結像し、この反射型回転多面体13すなわち、ポリゴンミラー、回転プリズム等であるが、反射型回転多面体13の表面状に反射するRGB光のスポット形状及び、サイズが極力最小、かつピントの合わせた状態となるように、上記結像レンズ群6、7、8を構成する。このとき、色分離素子9であるダイクロイックプリズム群9R、9G、9Bを通過する光束形状が極力ケラレのないように、ダイクロイックプリズムアレイの単位開口形状を決定し、かつ、この色分離素子9の像を映像表示素子12上に結像させる第2の結像レンズ群14、15、16を設ける構成とする。
【0061】
また、色分離素子9から色分離されたRGB光、必ずしも3色光でなくRGBW、RGBおよびイエロー光+シアン光など4色、N色に分離してもよい、は、平板上の偏光ビームスプリッターもしくは偏光ビームスプリッタプリズム10、すなわちPBSプリズムによって、反射もしくは透過され、1/4波長位相差板4bを透過してポリゴンミラー13上に集光される。本実施例の場合はS偏光光のRGB光がワイヤーグリッド型平板PBS10に反射されて、1/4波長位相差板4bを透過してポリゴンミラー13上に集光される。
【0062】
本実施例では、例えばインテグレータ素子3で出射光の形状が映像表示素子12のアスペクト比の所定幅、すなわち1/3幅ないし1/4幅、例えば16:9の映像表示素子12であれば、16:3もしくは16:9/4の比率の開口形状幅を持つ光形状に成形され、かつこの光を1/4波長位相差板を通過した後、S偏光光のみを微細周期格子型、例えば金属ワイヤーグリッド型等の偏光板5を透過させ、P偏光光は、本偏光板5にて反射され、再度1/4波長位相差板4aを通過して位相差を発生させられ、再びインテグレータ素子3を光源1の側に戻り、かつ光源1の側のインテグレータ素子3、すなわちライトパイプの入射面の開口部分以外に設けられた反射ミラーに照射された光は再びライトパイプ内を通過して、再度1/4波長位相差板4aにて位相差を発生させられ、S偏光光となり、今度は金属ワイヤーグリッド型等の偏光板5を通過し、偏光変換されて出射される。さらに、本発明のインテグレータ素子3は、光導波路であり、ガラス材のライトパイプ、あるいはミラーを配したライトパイプであるので、入射光が内面反射を繰り返して、出射光の均一分布を発生させる効果もある。さらには、入射開口は円形であるが、入射面の矩形形状サイズより出射面の矩形形状サイズが略大きく拡大されているため、途中のライトパイプの上下左右の側面は傾斜面となるので、入射光線角度は導波路内を反射するたびに、絶対角度が小さくなる効果があり、最終的に入射光線角度に対し出射光線角度が小さく、すなわち入射光線のF値より出射光線のF値が大きくなる効果となって、F値変換の効果も併せ持つ。これにより、PBS、偏光板、波長板、映像表示素子、レンズアレイ、ダイクロイック色分離素子、などの光学デバイスの角度依存性が問題となって、照明系のF値が所定値を限界としていたが、現状ではF1.5からF5程度を主流としていた、本発明のインテグレータ素子3を用いることにより、入射光線のF値は極力小さくして、矩形の入射面に設けられた円形の入射開口に入射する光束量を増加させ、すなわちリフレクタ2などで集光した光源1の光の集光スポットが、入射光線のF値小さくすることにより、小さくなる現象を利用して効率を向上する。
【0063】
いったんインテグレータ素子3に入射してしまえば、今度は、出射光線角度をできるだけ小さくしてF値を大きくすることにより、インテグレータ素子3以降の光学デバイスの透過効率、反射効率、コントラスト、消光比、色分離効率、色合成効率、映像表示素子12の各種性能が、向上させる効果がある。
【0064】
S偏光光に揃えられ、結像レンズ群6、7、8を通して、R光を反射するR用ダイクロイックミラー9a、G光を反射するG用ダイクロイックミラー9b、B光を反射するB用ダイクロイックミラーあるいは反射ミラー9c、(以降ダイクロイックミラー群と呼称する)によってそれぞれ、R光、G光、B光として反射される。各R光、G光及びB光は平板型偏光ビームスプリッタ10を反射して、かつ1/4波長位相差板4bを通過して位相差を発生し、それぞれ反射型回転多面体13の異なる場所に照射され、反射型回転多面体13で反射される。本実施例では、この反射型回転多面体13は8面体で、かつそれぞれの面が非球面シリンドリカルな反射ミラーで構成されているが、面の形状あるいは数は限定されるものではない。この非球面シリンドリカルな反射ミラーは映像表示素子12上のRGB帯の移動速度が周辺と中央で一定になるように、RGB反射光の移動角度を同じ各速度となるように回転速度との関係で制御できるように決定した所定の非球面形状で構成されている。本実施の場合はポリゴンミラーの回転半径方向に凸型の非球面形状となっており、もちろん精度を要求しない場合は、球面形状や平面で簡易化することも可能である。また、本実施例ではダイクロイックミラーあるいはダイクロイックプリズム群9a,9b,9cは、赤光(R),緑光(G),青光(B)の3色であるが、R,G,B、W(白色光)の組合せ色切替、またはY(黄色光)、C(シアン光)、M(マゼンダ光)の組合せ色切替、または、R、Y、G、C、Mの組合せ色切替、R、O(オレンジ光)、G、B、V(紫光)の組合せ色切替でもよく、この場合は、色分離手段であるダイクロイックプリズム群が3枚以上の複数枚になることもある。この場合はパネル上のスクロール帯は3種類以上になる場合がある。
また、2板式(パネル2枚を利用しキューブ型のPBSの2面にそれぞれ配置する構成)の光学エンジンの場合は、スクロールさせる光のみを回転ポリゴンミラーを介して第1のパネルに到達し、残りのスクロールしない光は、固定ミラー、レンズを介して直接、第2のパネルに到達するように構成する構成も可能である。
【0065】
R光、G光及びB光が反射型回転多面体13の1つの面で反射された場合、各光の光軸は一旦交差される。また、R光、G光及びB光のいずれか二つの光が反射型回転多面体13の1つの面で反射された場合には、例えば、これら光の光軸は交差される。反射型回転多面体13を出射したR光、G光及びB光は第2の結像レンズ群14、15、16、偏光板17aを透過し、PBS18で反射された後、1/4波長位相差板4cを通過して位相補償を行い映像表示素子すなわちパネル12の異なった場所に照射される。パネル12から出射されS偏光光からP偏光光に変換された光は再度1/4波長位相差板4cを通過して位相補償を行い、PBS18を透過し、更に偏光板17bを透過した後、投射レンズ23を通してスクリーン(図示せず)に拡大投影された映像を表示する。このとき、反射型回転多面体13を回転させると、パネル12上のRGB色の帯光は順次パネル12上を所定方向にスクロールする。いったんスクロールした色光は例えば、B帯光がパネル下端部へ進行すると、下端部からはみ出したB帯光が上端部に即座に現れて、映像表示エリアに過不足なくRGB色帯光がスクロール照射される。このときスクロール帯光の幅にそれぞれの色に対応した映像信号を書込み順次再生していくと、映像の1フレームが完成する。これを繰り返しRGB連続で順次にスクロールしていく。
【0066】
なお、パネル12としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、強誘電性液晶パネル及びマイクロミラー型映像表示素子等があるが、本発明では適宜これらパネルのいずれかを使用することができる。本実施例では、パネル12として反射型液晶パネルまたは強誘電性液晶パネルを使用することができる。
【0067】
また、マイクロミラー型映像表示素子場合のスクロール光学系は、基本的には、偏光光を使わないので、フィルム型あるいは水晶板型あるいは蒸着型の1/4波長位相差板4a、4b、4cおよび、微細周期格子型偏光板あるいはフィルム型偏光板5、17a、17bおよび、微細周期格子型の平板PBSあるいは誘電体多層膜を蒸着したプリズムキューブ型のPBS10、18が不要となり、場合によりPBS10の変わりに全反射プリズム、すなわちTIRプリズム20を設ける構成となる。
【0068】
図5の実施例において、各ダイクロイックプリズム群9a、9b、9cによって反射されたR光、G光、B光の光軸の方向は、それぞれR光、G光およびB光がパネル12上で所定の場所に照射されるように調整される。また、反射型回転多面体13はこれを回転させた時、パネル12上のR光、G光およびB光が略同等速度で一方向に移動できるように、その大きさ、多面体の数、曲面形状を決める。
【0069】
また、ダイクロイックプリズム群9a、9b、9cの代わりに、ダイクロイックプリズムと反射ミラーを組み合わせて、ダイクロイックプリズムでR光、G光及びB光に分離し、反射ミラーで光軸の方向を制御するようにしても良い。
【0070】
これにより、入射F値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子3の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のF値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。
【0071】
図6は本発明による光学ユニットの第3の実施例を示す。
【0072】
本第6の実施例は、色分離手段で光学的に色分離した光を、マイクロミラー型映像表示素子を用いて照射して映像表示する場合のカラーホイール型の面順次色分離光学系の構成例である。
【0073】
本発明の実施例に用いられた映像表示素子は単板であり、マイクロミラー型映像表示素子12を用いた場合の面順次色切替光学系である。本発明のインテグレータ素子3の出射面に設けられた出射矩形開口の照明光を物面として、この出射した矩形光をカラーホイール22に入射した後、結像レンズ群6、7、8によりパネル12上に結像させる照明系である。基本的には、偏光光を使わないので、図5におけるフィルム型あるいは水晶板型あるいは蒸着型の1/4波長位相差板4a、4b、4cおよび、微細周期格子型偏光板あるいはフィルム型偏光板5、17a、17bおよび、微細周期格子型の平板PBSあるいは誘電体多層膜を蒸着したプリズムキューブ型のPBS10、18が不要となり、場合によりパネル12直前の光の入射方向とパネル12から反射した映像光の方向を分離して投射レンズ23に導くPBS18の変わりに全反射プリズム、すなわちTIRプリズム20を設ける構成となる。もちろん、インテグレータ素子3は、カラーホール22上に設けられた渦巻き上のダイクロイック膜によるRGB色の円弧上の各帯光をパネル12上に照射する、渦巻きカラーホイール型スクロール光学系においても、対応しており、入射光線F値と出射光線F値を変換し、かつ、インテグレータ素子3の出射開口形状がパネル12のアスペクト比となって相似系を呈している構成で、この出射開口部に配置された渦巻きカラーホイール22の円弧状の各RGB色帯膜、あるいはRGBW膜、例えばダイクロイック色帯膜が存在し、出射光線のうち色帯を通過しない残りの色光、すなわち出射開口面積の略1/3の幅帯を占めるR帯膜に反射された、G、B光は反射され、再び、インテグレータ素子3、すなわちライトパイプに出射開口から入射する。この入射した光は、ライトパイプ内を通過して、円形の入射開口以外の矩形の入射面に設けられた反射ミラーにより、一部反射され、再びライトパイプ内を出射面に向けて進み、今度はR帯膜以外のGないしB膜に照射されて、再利用されていく。このとき光源からの入射光線角度とは異なる、よりダイクロイック膜の特性が引き出せる小さな角度、すなわち大きなF値の出射光線となるので、色再現性は良くなる。さらにTIRプリズム20や、レンズ系のF値が大きく取れるので、パネル12および、光学系のコントラストが向上する。
【0074】
さらには、光学系のレンズ群6、7、8の径や投射レンズ23の外径も小さくすることが可能となり、セットの小型軽量化が可能となる。これは、コスト低減にもつながる効果となる。もちろん、出射光線のF値の設計方法によるが、インタグレータ素子3の出射面より出射開口を小さくするならば、出射開口以外の面に反射ミラーを設けて、これにより、出射開口より出射しなかった光線を反射ミラーにて反射し、渦巻き状のカラーホイール22で反射された各色光と同様に、入射面に設けられた反射ミラーにて一部の光線が再び反射補足され、出射開口部に入射することで、再利用、補足が可能となる。これにより、入射F値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子3の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のF値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。
【0075】
図7は本発明による光学ユニットの第4の実施例を示す。
【0076】
本第7の実施例は、RGB光路に色分離手段で光学的に色分離した光を、3枚の透過型映像表示素子を用いて照射して、それぞれの映像光を合成プリズムにて合成して映像表示する場合の透過型液晶プロジェクタ用光学ユニットの構成例である。
【0077】
図7において、1は光源、2は楕円面または放物面または非球面の反射面を有するリフレクタ、3は本発明のインテグレータ素子、すなわちライトパイプ、4は1/4波長位相差板、5は、インテグレータ素子3側からの光をP偏光光とS偏光光に分離する偏光ビームスプリッタ、例えば、微細周期格子型偏光素子、すなわち金属ワイヤーグリッド型偏光板、あるいはPBSなどで、該偏光ビームスプリッタ5の反射光であるP偏光光とS偏光光のいずれかの偏光方向を回転するため、位相差を発生させるための1/4波長位相差板4を通過したP偏光もしくはS偏光の反射光は、再びインテグレータ素子3を光源1の側に戻り、かつ光源1の側のインテグレータ素子3、すなわちライトパイプの入射面の開口部分以外に設けられた反射ミラーに照射された光は再びライトパイプ内を通過して、再度1/4波長位相差板4にて位相差を発生させられ、今度はもう一方のS偏光光ないしP偏光光となり、今度は金属ワイヤーグリッド型等の偏光板5を通過し、偏光変換されて出射される。
【0078】
図7における6、7、8a、8b、8c、21a及び21bはそれぞれ、光を集束するあるいは再結像させるための集光レンズ、28は、反射ミラーで、反射により光路の方向を変える反射手段、17a、17b、17c、26a、26b、及び26cは、偏光フィルムもしくは微細周期格子型偏光素子から成り、S偏光光とP偏光光を分離する偏光板、27a、27bは色分離用のダイクロイックミラー、40は色合成用のダイクロイックプリズム、12R、12B、12Gは透過型液晶パネル等の透過型表示素子、23は拡大投射用の投射レンズユニット、24は電源回路、25は信号処理回路、26は冷却用のファンである。上記インテグレータ素子3から上記入射側の偏光板26a、26b、26cまでの光学系は、上記透過型表示素子12R、12B、12Gに対する照明光学系を構成する。
【0079】
かかる構成において、上記光源1から出た光は、リフレクタ2にて反射集光され、上記インテグレータ素子3にて照明像を形成した後、ワイヤーグリッド型偏光板など構成される偏光ビームスプリッタ5でP偏光光とS偏光光とに分離され、1/4波長位相差板4により、反射した該P偏光光が偏光方向を回転されて、再度通過するときにS偏光光とされ、偏光ビームスプリッタ5で分離されたS偏光光と併せ、集光レンズ6に入射される。該インテグレータ素子3と該偏光ビームスプリッタ5と該1/4波長位相差板4の該組合せは、いわゆるS偏光光を出射する構成の偏光変換部を形成する。上記1/4波長位相差板4において、上記と逆に、上記偏光ビームスプリッタ5で分離されたS偏光光の偏光方向を回転して、再度通過するときにP偏光光とし、偏光変換部としてはP偏光光を出射する構成としてもよい。
【0080】
本発明の第7の実施例におけるインテグレータ素子3と1/4波長位相差板4および偏光板5の組合せによる効果は図5で示した、第5の実施例にて説明した効果を発揮する。
【0081】
本第7の実施例の場合は、S偏光光が集光レンズ6に入射されるものとする。本実施例の場合、集光レンズ6で集光されたS偏光光は、さらに、反射手段28に略45゜の入射角で入射される。該反射手段28では、R光、G光及びB光のS偏光光が反射されて光路方向が変更されるとともに、それぞれのS偏光光中にP偏光光が含まれているとき、該P偏光光分を透過して除去し、反射されるS偏光光の純度を上げるようにすることも微細周期格子型反射ミラーを反射手段28で用いれば効果が向上する。反射されたR光、G光及びB光のS偏光光は、集光レンズ7で集光されてダイクロイックミラー27aに入射され、ここでR光(S偏光光)と、G光(S偏光光)+B光(S偏光光)とに分離される。すなわち、R光のS偏光光は透過され、G光のS偏光光とB光のS偏光光は反射される。例えば透過により分離されたR光のS偏光光は微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19aに入射される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19aにおいて、R光のS偏光光中にP偏光光分がある場合の該P偏光光分や赤外線は透過されて除去され、純度をさらに上げられたR光のS偏光光は反射されて集光レンズ8aに入射される。該集光レンズ8aから出たR光のS偏光光は、入射側偏光板26aで偏光方向を揃えられてからR光用の透過型表示素子12Rに照射される。透過型表示素子12Rでは、該R光のS偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、R光のP偏光光となって出射される。透過型表示素子12Rを出たR光のP偏光光は出射側の偏光板17aで偏光方向を揃えられた後、ダイクロイックプリズム40に入射され、そのダイクロイック面37で反射されて投射レンズユニット23に入る。一方、ダイクロイックミラー27aにおいて反射により分離されたG光とB光のS偏光光はダイクロイックミラー27bに入射され、ここで、反射されるG光(S偏光光)と透過されるB光(S偏光光)とに分離される。該分離されたG光のS偏光光は、集光レンズ8b、入射側の偏光板26bを経て、G光用の透過型表示素子12Gに照射される。透過型表示素子12Gでは、該G光のS偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、G光のP偏光光となって出射される。透過型表示素子12Gを出たG光のP偏光光は出射側の偏光板17bで偏光方向を揃えられた後、ダイクロイックプリズム40に入射され、そのダイクロイック面37、38を透過して投射レンズユニット23に入る。また、上記ダイクロイックミラー27bを透過したB光のS偏光光は、集光レンズ21aで集光され、微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19bに入射される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19bにおいて、B光のS偏光光中のP偏光光分や紫外線分は透過されて除去され、反射され純度をさらに上げられたB光のS偏光光は集光レンズ21b側に出射される。集光レンズ21bを出たB光のS偏光光は微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19cに入射される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19cにおいても、B光のS偏光光中のP偏光光分や紫外線分は透過によって除去される。該微細周期格子型偏光ビームスプリッタ19cで反射されたB光のS偏光光は集光レンズ8cに入射される。該集光レンズ8cから出たB光のS偏光光は、入射側の偏光板26cで偏光方向を揃えられてからB光用の透過型表示素子12Bに照射される。該透過型表示素子12Bでは、該B光のS偏光光が映像信号に基づき変調され、B光のP偏光光となって出射される。透過型表示素子12Bを出たB光のP偏光光は出射側の偏光板17cで偏光方向を揃えられ、ダイクロイックプリズム40に入射され、ダイクロイック面38で反射されて投射レンズユニット23に入る。このように、R光、G光及びB光それぞれのP偏光光が合成されてダイクロイックプリズム40から投射レンズユニット23に出射され、該投射レンズユニット23により映像がスクリーン等に拡大投射される。本構成はこれに限るものではなく、G光はP偏光光で、R光、B光は1/2波長位相差板を利用し、S偏光光としてダイクロイックプリズム40に入射する場合もある。なお、上記照明光学系の光学要素のうちダイクロイックミラー27a、27b、上記ダイクロイックプリズム40、及び出射側偏光板17a、17b、17cは、投射型映像表示装置の色分離合成系を形成する。
【0082】
これにより、入射F値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子3の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のF値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。
【0083】
図8は本発明による光学ユニットの第5の実施例を示す。
【0084】
本第8の実施例は、インテグレータ素子を少なくともF値変換、偏光変換素子、均一分布発生手段、光効率向上手段として用い、3個の反射型表示素子に分離光を反射して映像表示を行うようにした場合の構成例である。
図8は本発明による投射型液晶表示装置の第8の実施例を示す概略の平面図である。図8の実施例は、液晶ライトバルブとして反射型液晶表示素子12を、いわゆる色の3原色のR(赤色)、G(緑色)、B(青色)の3色に対応して合計3枚用いた3板式投射型表示装置を示している。
【0085】
図8において、投射型液晶表示装置には光源1があり、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ランプである。光源1は、円形または多角形の出射開口を持つ少なくとも1つの反射面鏡2と、この光源1から出る光はライトバルブ素子である液晶表示素子12を通過して投射レンズ23に向かい、スクリーンへ投影される。
【0086】
光源1の電球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2にて集光され、放物面の場合は、この反射面鏡リフレクタ2の出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた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、3は本発明のインテグレータ素子、すなわちライトパイプに入射させる。4は1/4波長位相差板、5は、インテグレータ素子3側からの光をP偏光光とS偏光光に分離する偏光ビームスプリッタ、例えば、微細周期格子型偏光素子、すなわち金属ワイヤーグリッド型偏光板、あるいはPBSなどで、該偏光ビームスプリッタ5の反射光であるP偏光光とS偏光光のいずれかの偏光方向を回転するため、位相差を発生させるための1/4波長位相差板4を通過したP偏光もしくはS偏光の反射光は、再びインテグレータ素子3を光源1の側に戻り、かつ光源1の側のインテグレータ素子3、すなわちライトパイプの入射面の開口部分以外に設けられた反射ミラーに照射された光は再びライトパイプ内を通過して、再度1/4波長位相差板4にて位相差を発生させられ、今度はもう一方のS偏光光ないしP偏光光となり、今度は金属ワイヤーグリッド型等の偏光板5を通過し、偏光変換されて出射される。出射光はコリメータレンズ6に入射される。
【0087】
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、入射偏光板と反射液晶表示素子の組合せにより、一方向の偏光光しか反射しないため反射光量が約半分になっていた。しかし、偏光変換素子群3、4、5を用いるため、光源1から出射するランダムな偏光光の偏光方向を揃えて反射型液晶表示素子12に入射するため、理想的には従来の投射型液晶表示装置の2倍の明るさが得られる。また、インテグレータ素子3は、各光線の反射回数により出射光の光分布が略均一分布になり、液晶表示素子12に重なり、均一な画質が得られるように作用する。
【0088】
コリメータレンズ群6、7は、少なくとも1枚以上の構成であり、トータルで正の屈折力を有し、このS偏光光をさらに集光させる作用を持ち、このコリメータレンズ群6、7を通過した光は反射ミラー28a、28bにより光軸方向を所定方向に略90°変換される。その後、光はコンデンサレンズ8を通過して、各色RGB3枚の反射型液晶表示素子12R、12G、12Bを照射するために、まず色分離ミラー27あるいは図示していないが、色分離プリズムにより、R光とG、B光とに2分割され、それぞれの色専用の偏光分離合成素子である偏光ビームスプリッタ18GB、18Rに入射される。すなわち、R光は、本発明であるR専用偏光ビームスプリッタ18Rに入射、その後S偏光光なのでR専用反射型液晶表示素子12R側へ反射され、このパネルを照射する。また、 B光とG光はGB光専用偏光板17GBを通過し、本発明であるGB専用偏光ビームスプリッタ18RBに入射、その後特定波長域のみ偏光方向を変換する特定波長域偏光変換素子29Bを通過してB光あるいはG光のどちらかの偏光をS偏光光からP偏光光に変換して、例えば、偏光を変換されたP偏光光であるB光は、GB専用偏光ビームスプリッタ18GBを通過してB専用反射型液晶表示素子12Bを照射する。一方、G光はS偏光光なのでGB専用偏光ビームスプリッタ18GBにて反射された後、G専用反射型液晶表示素子12Gを照射する。もちろん、上記例はひとつの具体例であり、実施例はこれに限定するものではなく、GがP偏光光に変換されてもよく、これとは別にもともとの照明系の偏光光がP偏光であり、RGBの一つの色がS偏光光に変換され、残りの二色がP偏光光となる場合も構成としては成り立つ。また、各色専用の反射型液晶表示素子12R、12G、12Bの入射側にはS偏光光を透過するGB専用入射偏光板17GBおよびR専用入射偏光板17Rを配置し、各色の偏光度を高め、偏光板17をガラスに貼り、反対側に色調整膜を施すことによって色純度を高めることも可能である。その後、各色専用の反射型映像表示素子12で偏光を変換され、光は再び各色専用偏光ビームスプリッタ18GB、18Rに入射し、S偏光光は反射され、P偏光光は透過する。
【0089】
この反射型映像表示素子12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、液晶表示素子12の各画素の偏光角度が変わり、最終的に入射の偏光方向と直交方向になった光が出射され、偏光方向の一致した光が偏光ビームスプリッタ18により検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、偏光ビームスプリッタ18の偏光度との関係で偏光ビームスプリッタを通る光の量と検光される量とが決まる。このようにして、外部より入力する信号に従った画像を投影する。この時、本発明のGB専用偏光ビームスプリッタ18GBとR専用偏光ビームスプリッタ18Rである偏光変換素子は、反射型映像表示素子12R、12G、12Bが黒表示を行う場合に、偏光方向は入射光と同等であり、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。しかし偏光ビームスプリッタの偏光度および消光比である検光効率が微妙に性能に影響を与え、わずかに漏れたあるいは乱れた偏光光が偏光ビームスプリッタを通過して出射側の色合成偏光ビームスプリッタ18Wあるいは色合成ダイクロイックプリズムを通過して投射レンズ23側へ照射され、黒表示時に僅かの明るさをスクリーン上にて検知する。これによりコントラスト性能が低下する場合がある。
【0090】
当然ながら、偏光変換素子および色分離合成プリズムを構成する誘電体多層膜は、これに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およびS偏光光の透過効率あるいは反射効率、あるいは円偏光光に対する透過効率あるいは反射効率が、ピーク値をとるように、限定波長域専用の誘電体多層膜付けを施した構成、たとえば420nm近傍から600nm近傍迄の波長帯域のGB光専用の最適な誘電体多層膜付けを施したGB専用偏光ビームスプリッタ18GB、600nm近傍から700nm近傍迄の波長帯域でのR光専用の最適な誘電体多層膜付けを施したR専用偏光ビームスプリッタ 18Rを用いることにより、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、高効率コントラスト等を実現した反射型液晶表示装置を提供できる。さらに、場合により傾斜膜、すなわち光の入射角度によって誘電体多層膜の厚さを変えた膜を付加することにより、より均一性の高いかつ色純度の高い映像を表示できる。
【0091】
偏光ビームスプリッタ18Rを出射した光は特定波長域偏光変換素子29Rによって、R光の偏光方向が変換され、例えばS偏光光に変換されて偏光ビームスプリッタ18Wに入射される。
【0092】
その後、映像であるRGB各色の光は色合成である偏光ビームスプリッターもしくはダイクロイックプリズムもしくはダイクロイックミラー18Wにより再び色合成されて、光は、例えばズームレンズであるような投射手段(例えば投射レンズ)23を通過し、スクリーンに到達する。前記投射手段23により、反射型液晶表示素子12R、12G、12B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41により、ランプおよびパネル等の駆動を行っている。
【0093】
これにより、入射F値を小さくして、極力入射光のスポット径を小さくし、できるだけ、インテグレータ素子3の円形の入射開口に光を取りこませ、逆に出射光線のF値をできるだけ大きくして、後の光学素子の特性を向上させることが可能となる。これにより、明るさ効率向上と色純度、色ムラ、コントラスト等の画質性能向上を両立し得る光学系を提供できる。特に、反射液晶表示素子12R、12G、12Bは、偏光ビームスプリッタ18、すなわちPBSにて検光し、コントラスト性能を確保するので、照明光学系に本発明のインテグレータ素子3の偏光変換機能、すなわち偏光板5による偏光度が事前に向上しており、PBSに入射する光の偏光純度が向上していることから、漏れによるコントラスト劣化も極力防ぐことができる。これにより、従来の偏光変換素子を第2インテグレータレンズに貼り付けていた方法よりも、格段にコントラスト性能を向上させる効果がある。
【0094】
さらに、F値可変機能も本発明のインテグレータ素子3には、あるので、さらに照明光学系から反射液晶表示素子12R、12G、12BやPBS18GB、18Rや、1/4波長位相差板4G、4B、4R、および偏光板17GB、17R等に入射する光線角度を低減、すなわちF値を大きくすることが可能なので、各光学デバイスの性能を十分に引き出すことが可能となり、コントラストや色純度がさらに向上する効果がある。
【0095】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、構成が簡単な単板および3板式の光学ユニットを得ることができる。また、光の利用効率のより高く、かつ画質性能の向上を両立した光学ユニットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるインテグレータ素子および光学ユニットの第1の実施例を示す構成図である。
【図2】本発明によるインテグレータ素子の第2の実施例を示す図である。
【図3】本発明によるインテグレータ素子の第3の実施例を示す図である。
【図4】本発明によるインテグレータ素子の第4の実施例を示す図である。
【図5】本発明による光学ユニットの第2の実施例を示す構成図である。
【図6】本発明による光学ユニットの第3の実施例を示す構成図である。
【図7】本発明による光学ユニットの第4の実施例を示す構成図である。
【図8】本発明による光学ユニットの第5の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
1…光源、2…リフレクタ、3…インテグレータ素子、4…1/4波長位相差板、5…偏光板あるいはPBS、6…結像レンズ、7…結像レンズ、8…結像レンズ、9R…R光用ダイクロイックプリズム、9G…G光用ダイクロイックプリズム、9B…B光用ダイクロイックプリズム、13…反射型回転多面体、8…コンデンサレンズ、21a…第1の結像レンズ、21b…第2の結像レンズ、18…PBS、17…偏光板、12…パネル、23…投射レンズ、12R…パネル上でR光が照射される場所、12G…パネル上でG光が照射される場所、12B…パネル上でB光が照射される場所、28…反射ミラー、24…電源、25…映像表示回路、26…排気ファン。
Claims (12)
- 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
該光導波路は入射面よりも出射面の面積が大きく、
入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。 - 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
該光導波路は、入射面よりも出射面の面積が大きく、
該入射面は、該入射面より小さい面積の入射開口部と、該入射開口部以外に反射鏡を有し、
入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。 - 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
該光導波路は、入射面よりも出射面の面積が大きく、
該入射面は、該入射面より小さい面積の入射開口部と、該入射開口部以外に反射鏡を有し、
該出射面の近傍部に1/4波長板と偏光板を設け、
入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。 - 光源からの光を集光光として集光させる特定位置近傍に配置された光導波路であって、
該光導波路は、入射面よりも出射面の面積が大きく、
該入射面は、該入射面より小さい面積の入射開口部と、該入射開口部以外に反射鏡を有し、
該出射面は、該出射面より小さい面積の出射開口部と、該出射開口部以外に反射鏡を設け、
該出射開口部に1/4波長板と偏光板を設け、
入射光の最大入射光線角度より小さい最大出射光線角度に、出射光を変換する光線角度変換手段を備えたことを特徴とする光導波路。 - 前記光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射面部に向かって、各所定角度で傾斜し、断面積が広がっていく構成であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の光導波路。
- 前記光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射面部に向かって、各所定角度で略傾斜し、上下左右に断面積が変化し、または広がっていく構成で、該各所定角度が−n°〜0°〜n°の範囲までの2n+1種類(nは自然数)の段階であることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の光導波路。
- 前記光線角度変換手段は、該光導波路を構成する各反射面が、前記出射面部に向かって、各所定角度で略傾斜し、上下左右に断面積が変化し、広がっていく構成で、かつ、前記所定角度をθ°、入射光線のF値をF1、出射光線のF値をF2とし、θ≦(tan―1(0.5/F1)―tan―1(0.5/F2))/2範囲で構成されることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の光導波路。
- 前記1/4波長板は、水晶型波長板または、蒸着膜型波長板であり、
前記偏光板は、金属もしくは無機物もしくはガラス材のワイヤーグリッド型偏光板、であることを特徴とする請求項3乃至請求項4の何れかに記載の光導波路。 - 光を放射する光源ユニットと、該光源ユニットから出射された光を複数色の光に分離する色分離手段と、該色分離手段の出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子上に照射させる作用を有する照明光学系と、該映像表示素子から出射した光を投射する投射手段とで構成される投射型光学ユニットであって、
請求項1乃至請求項8の何れかに記載の光導波路で構成されるインテグレータ素子を前記光源ユニットと前記映像表示素子の間に有し、
該インテグレータ素子の出射開口形状は、前記映像表示素子に照射される光の形状と相似形を成すように構成したことを特徴とする光学ユニット。 - 光源と、
該光源の出射光から映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、
該光源からの光を通過させる、請求項1乃至請求項8の何れかに記載の光導波路で構成されたインテグレータ素子と、
該インテグレータ素子からの光を複数色の光に分離する、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズムと反射ミラーまたは反射プリズムから構成される色分離手段と、
該色分離手段から出射された各複数色の光が入射され、それぞれの光軸の方向を変えて出射して該映像表示素子の異なった場所に該複数色の光を照射すると共に該複数色が照射される場所を一方向に移動させることができる、表面に複数色の光を照射し、表面近傍に該複数色の光の一つを略々結像させ、反射光を前記映像表示素子に照射する反射型回転多面体と、
前記映像表示素子から出射された光をカラー映像として投射する投射装置とを有し、
前記映像表示素子に照射された複数色の光の内、少なくとも一つの光の形状を前記インテグレータ素子の出射開口形状、或いは前記色分離手段の出射開口形状と相似形とし、
前記回転多面体より後側の光路に結像光学系を設けて、前記映像表示素子に該出射開口の形状と相似形である、略矩形または円弧状の光像を結像させることを特徴とする光学ユニット。 - 光を放射する光源ユニットと、
該光源ユニットからの光を通過させる、請求項1乃至請求項8の何れかに記載の光導波路で構成されたと、
該インテグレータ素子を通過した光を、映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子上に照射させる作用を有すると、
該照明光学系からの光を第1及び第2の光と第3の光とに分離する色分離手段と、
該第1及び第2の光を第1の光と該第2の光に色分離合成する色分離合成手段と、
該色分離合成手段の近傍に略直角に配置された第1、第2の液晶表示素子と、
該第3の光を入射する第3の液晶表示素子と、
それぞれ該第1、該第2及び該第3の液晶表示素子から出射された該第1、該第2及び該第3の光を合成する色合成手段とを備え、
該色分離手段で分離された第1、第2の光をそれぞれ該第1と該第2の液晶表示素子に入射させ、該第1の液晶表示素子及び該第2の液晶表示素子から出射された該第1の光と該第2の光を該色分離合成手段で合成し、該色分離合成手段から出射された該第1及び該第2の光を該色合成手段に入射し、該色分離手段で分離された第3の光を該第3の液晶表示素子に入射させ、該第3の液晶表示素子から出射された光を該色合成手段に入射させ、該第1、該第2及び該第3の光と合成するように構成したことを特徴とする光学ユニット。 - 請求項9乃至請求項11の何れかに記載の光学ユニットと、映像処理回路と、電源とを備えることを特徴とする映像表示装置。
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