JP2006003636A - Illumination optical system and projection display device using same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像表示装置に関するものである。特に、光源からの放射光を空間光変調器へ照明し、空間光変調器によって画像パターンを変調生成し、変調生成した画像パターン像を投影対象物に投影する表示装置、すなわちプロジェクタ表示装置に関するものである。 The present invention relates to an image display device. In particular, the present invention relates to a display device that illuminates a spatial light modulator with emitted light from a light source, modulates and generates an image pattern by the spatial light modulator, and projects the modulated image pattern image onto a projection target, that is, a projector display device It is.
従来の特許文献1〜5に記載されているようなプロジェクタ型ディスプレイは、通常、液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを光変調パネルとしてスイッチングに利用して、光の透過と遮断または偏向を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。 Conventional projector-type displays such as those described in Patent Documents 1 to 5 usually use a liquid crystal panel or a micromirror array device panel as a light modulation panel for switching, and control light transmission and blocking or deflection. By projecting the selected light pattern onto the screen, an image is displayed on the screen.
光変調パネルに液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを用いたプロジェクタにおいては、光源光を高効率で利用することと、スクリーン上での照度むらを低減することが重要となる。 In a projector using a liquid crystal panel or a micromirror array device panel as a light modulation panel, it is important to use light source light with high efficiency and to reduce illuminance unevenness on the screen.
改善手段としては、2枚の2次元配列されたレンズアレイとコンデンサレンズから構成されるオプティカルインテグレータが知られおり、前記インテグレータは、光源からの光束を第1のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第2レンズアレイとコンデンサレンズによりこれらの光束を拡大しながら液晶パネルの表示領域に重畳結像させるものである。 As an improvement means, there is known an optical integrator composed of two two-dimensionally arranged lens arrays and a condenser lens. The integrator divides a light beam from a light source into a plurality of light beams by a first lens array. The second lens array and the condenser lens are used to superimpose these light beams on the display area of the liquid crystal panel while enlarging them.
この方法においては、分割後の照度むらが小さい光束を重畳するため均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。また、第1レンズアレイの各開口を光変調パネルの表示領域と相似の形状とすれば、分割後の光束は表示領域にもれなく照射されるため照射光の効率が向上し、光源光の利用効率を向上することができる。 In this method, a light beam with small uneven illuminance unevenness is superimposed, so that highly uniform irradiation light can be obtained, and the uneven illuminance on the screen is greatly improved. Further, if each aperture of the first lens array has a shape similar to the display area of the light modulation panel, the luminous flux after the division is irradiated to the display area, so that the efficiency of the irradiation light is improved and the light source light utilization efficiency is improved. Can be improved.
また、もう一つの改善手段としては、光源光をカライドスコープに導光し、光線のベクトルをミキシングすることによって、カライドスコープの光出射端面での光強度分布を均一化させ、この像を結像レンズによって、光変調パネルに光学的共役結像させるものがある。 As another improvement means, the light source light is guided to the kaleidoscope, and the light vector is mixed to make the light intensity distribution on the light emitting end face of the kaleidoscope uniform, and this image is obtained. Some imaging lenses form an optical conjugate image on a light modulation panel.
この方法においても、均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。 Also in this method, highly uniform irradiation light can be obtained, and illuminance unevenness on the screen can be greatly improved.
しかしながら、照明光を均一分布とすることに関しては効果的ではあるが、空間光変調器が透過型または反射型の液晶変調素子またはマイクロミラーアレイ変調パネルであることに関わらず、フルカラーの画像を表示する場合、光の3原色に対応する3個の空間光変調器で変調する場合には、3原色に対応する波長帯域の分離および合成手段により発生する光転送効率ロスによって、光源からの放射光量の利用効率が低下してしまう。また、マイクロミラーアレイ変調パネルの場合に実現されている方式で、単板変調パネルに色の3原色を時間的に変位変調照明する場合には、色を時間的空間的に変調照明するために、必要な色の波長帯域以外の光を吸収または反射して排除する系となっているため、同様に光源からの放射光量の利用効率が低下してしまうものとなっている。 However, although it is effective for uniform distribution of illumination light, a full-color image is displayed regardless of whether the spatial light modulator is a transmissive or reflective liquid crystal modulation element or micromirror array modulation panel. In the case of modulation with three spatial light modulators corresponding to the three primary colors of light, the amount of radiated light from the light source is caused by the loss of light transfer efficiency generated by the wavelength band separation and combining means corresponding to the three primary colors. The utilization efficiency of will decrease. In addition, when the three primary colors are temporally displacement-modulated and illuminated on a single-plate modulation panel using the method realized in the case of the micromirror array modulation panel, the color is temporally and spatially modulated and illuminated. Since it is a system that absorbs or reflects light other than the wavelength band of the necessary color, the use efficiency of the amount of radiated light from the light source is similarly reduced.
即ち従来、光源からの放射光をスタティックまたはダイナミック的に有効に光変調に利用できる系とはなっていなかった。 In other words, conventionally, the system has not been a system that can effectively use the radiated light from the light source for light modulation statically or dynamically.
本発明は、上記課題を達成するために、次の(1)から(16)のように構成した照明光学系および該照明光学系を用いた投射型表示装置を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides an illumination optical system configured as in the following (1) to (16) and a projection display device using the illumination optical system.
(1)光源からの光を直線偏光状態の光に変換し、1次元シリンドリカルレンズアレイを介してストライプ光像形成し、前記ストライプ光像を結像レンズによって被照明対象物へ投影照明する照明系であって、前記ストライプ光像を被照明対象物に投影する光路中に、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段を設け、複数の色に分解された多色ストライプ光像を被照明対象物へ照明することを特徴とする照明光学系。 (1) An illumination system that converts light from a light source into linearly polarized light, forms a striped light image via a one-dimensional cylindrical lens array, and projects and illuminates the striped light image onto an object to be illuminated by an imaging lens In the optical path for projecting the stripe light image onto the object to be illuminated, wavelength band space separation means comprising a multilayer structure of a color polarizer and a birefringent element is provided, and a multicolor stripe separated into a plurality of colors An illumination optical system for illuminating an object to be illuminated with a light image.
(2)直線偏光状態の光は、光源に偏った偏光を有さない非ポラライズド光を用い、非ポラライズド光を多段の偏光ビームスプリッタと、一方の偏光波を他方の偏光波に変換する1/2λ波長板の組合せからなるPS変換素子と称される手段を用いて生成されることを特徴とする上記(1)に記載の照明光学系。 (2) For the light in the linear polarization state, non-polarized light that does not have polarized light polarized at the light source is used, the non-polarized light is converted into a multi-stage polarization beam splitter, and one polarized wave is converted to the other polarized wave 1 / The illumination optical system according to (1), wherein the illumination optical system is generated using a unit called a PS conversion element including a combination of 2λ wavelength plates.
(3)多色ストライプ光像は光の3原色の多段ストライプ光像であって、3色帯の繰返し周期像であることを特徴とする上記(1)記載の照明光学系。 (3) The illumination optical system according to (1), wherein the multicolor stripe light image is a multistage stripe light image of the three primary colors of light and is a repeating periodic image of three color bands.
(4)カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段は、光入射側から順に、カラー偏光子Aと複屈折素子Aとカラー偏光子Bと複屈折素子Bとカラー偏光子Cと検光子によって構成され、カラー偏光子Aとカラー偏光子Bとカラー偏光子Cは色の3原色レッド、グリーン、ブルーの内一つの色のみに対してクロス偏光変換作用を与える素子であって、且つカラー偏光子Aとカラー偏光子Bとカラー偏光子Cは夫々異なる色に対してクロス偏光変換作用を与える構成であることを特徴とする上記(1)記載の照明光学系。 (4) The wavelength band space separation means comprising a multilayer structure of a color polarizer and a birefringent element comprises, in order from the light incident side, the color polarizer A, the birefringent element A, the color polarizer B, the birefringent element B, and the color polarized light. The color polarizer A, the color polarizer B, and the color polarizer C are elements that provide a cross polarization conversion function for only one of the three primary colors red, green, and blue. The illumination optical system according to (1), wherein the color polarizer A, the color polarizer B, and the color polarizer C are configured to give a cross polarization conversion action to different colors.
(5)複屈折素子はニオブ酸リチウムまたは水晶の結晶光軸が光入射面に対して約45度傾いたプレートからなることを特徴とする上記(1)記載の照明光学系。 (5) The illumination optical system according to (1), wherein the birefringent element is made of a plate whose crystal optical axis of lithium niobate or quartz is inclined by about 45 degrees with respect to the light incident surface.
(6)カラー偏光子はリタデーション・スタックスと呼ばれる各層において光軸が所定方向に傾いた屈折率楕円体フィルムの多層積層構造からなることを特徴とする(1)記載の照明光学系。 (6) The illumination optical system according to (1), wherein the color polarizer has a multilayer laminated structure of refractive index ellipsoidal films in which optical axes are inclined in a predetermined direction in each layer called retardation stacks.
(7)1次元シリンドリカルレンズアレイによって生成されるストライプ光像の光帯幅と、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段によって分離される各色間のシフトピッチは略同じ幅で構成されることを特徴とする上記(1)記載の照明光学系。 (7) The optical band width of the striped light image generated by the one-dimensional cylindrical lens array and the shift pitch between the colors separated by the wavelength band space separation means composed of the multilayer structure of the color polarizer and the birefringent element are substantially the same. The illumination optical system according to (1), wherein the illumination optical system is configured with a width.
(8)光源はショートアーク放電ランプであることを特徴とする上記(1)記載の照明光学系。 (8) The illumination optical system according to (1), wherein the light source is a short arc discharge lamp.
(9)前記照明光学系として請求項1〜8のいずれか1項に記載の照明光学系を用いて光変調画素が2次元に配列された空間光変調素子を照明し、照明光となる多色ストライプ光像を時間的変位手段によって変位させ、入力される画像信号と照明される色とに同期させて、空間光変調素子の各画素を変調し、変調された画像情報を有する出力光を投影レンズによって物体に投影して画像を表示することを特徴とする投写型表示装置。 (9) The illumination optical system according to any one of claims 1 to 8 is used as the illumination optical system to illuminate a spatial light modulation element in which light modulation pixels are arranged in a two-dimensional manner, thereby becoming illumination light. The color stripe light image is displaced by a temporal displacement means, and each pixel of the spatial light modulator is modulated in synchronization with the input image signal and the illuminated color, and the output light having the modulated image information is A projection display device, wherein an image is displayed by being projected onto an object by a projection lens.
(10)照明光となる多色ストライプ光像を空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系内に組み込まれている1次元シリンドリカルレンズアレイを変位制御する機械的アクチュエータであることを特徴とする上記(9)記載の投写型表示装置。 (10) The means for temporally displacing the multicolor stripe light image as the illumination light on the surface of the spatial light modulator is a mechanical actuator that controls the displacement of the one-dimensional cylindrical lens array incorporated in the illumination optical system. The projection display device according to (9), characterized in that:
(11)照明光となる多色ストライプ光像を空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系の1次元シリンドリカルレンズアレイから空間光変調素子間に、ポッケルス素子等の屈折率変調素子を配して、光束の平行移動制御を行うことを特徴とする上記(9)記載の投写型表示装置。 (11) A means for temporally displacing a multicolor stripe light image serving as illumination light on the surface of the spatial light modulation element is a refractive index modulation of a Pockels element or the like between the one-dimensional cylindrical lens array of the illumination optical system and the spatial light modulation element. The projection display device according to (9), wherein an element is arranged to perform parallel movement control of the light beam.
(12)空間光変調器は液晶ライトバルブ素子等の光の偏光状態変調と検光素子の組み合わせによって投写する光の強度を変調する空間光変調素子であることを特徴とする上記(9)から(11)記載の投写型表示装置。 (12) From the above (9), the spatial light modulator is a spatial light modulator that modulates the intensity of light to be projected by a combination of light polarization state modulation and a light detecting element such as a liquid crystal light valve element. (11) The projection display device according to (11).
(13)液晶ライトバルブ素子は強誘電液晶を用いた強誘電液晶変調素子であことを特徴とする上記(12)記載の投写型表示装置。 (13) The projection display device according to (12), wherein the liquid crystal light valve element is a ferroelectric liquid crystal modulation element using a ferroelectric liquid crystal.
(14)液晶ライトバルブ素子は反強誘電液晶相状態を有する反強誘電液晶変調素子であことを特徴とする上記(12)記載の投写型表示装置。 (14) The projection display device according to (12), wherein the liquid crystal light valve element is an antiferroelectric liquid crystal modulation element having an antiferroelectric liquid crystal phase state.
(15)投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散反射光によって認識することができることを特徴とする上記(9)から(14)記載の投写型表示装置。 (15) The projection display apparatus according to any one of (9) to (14) above, wherein the projected image is projected on a screen and can be recognized by diffuse reflected light having a predetermined directivity.
(16)投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散透過光によって認識することができることを特徴とする上記(9)から(14)記載の投写型表示装置。 (16) The projection display device according to any one of (9) to (14) above, wherein the projected image is projected on a screen and can be recognized by diffused transmitted light having a predetermined directivity.
本願発明によれば、色分離合成時の光量転送ロスや、光源からの放射光量の利用効率が低下してしまうといった問題を解決し、光源光の利用効率の高い、飛躍的に明るい投写表示画像が得られる投射型表示装置を提供することを可能にしたものである。 According to the invention of the present application, it solves problems such as loss of light amount transfer during color separation / combination and a decrease in utilization efficiency of the amount of radiated light from the light source, and a remarkably bright projected display image with high utilization efficiency of the light source light. It is possible to provide a projection display device that can obtain the above.
以下、本発明の照明光学系および投写型表示装置を図面を参照しながら説明する。 The illumination optical system and projection display device of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本発明の照明装置(照明光学系)を配した実施形態に係る第一の投写型表示装置の実施形態を図1から図3に基づき説明する。図1から図3は第一の投射型表示装置の実施形態を構成する主要な光学ユニットを異なる方向からみた要部概略斜視図である。
(First embodiment)
An embodiment of a first projection display device according to an embodiment in which an illumination device (illumination optical system) of the present invention is arranged will be described with reference to FIGS. FIG. 1 to FIG. 3 are main part schematic perspective views of main optical units constituting the embodiment of the first projection display device as seen from different directions.
4は光源となるパラボリッック反射ミラー付きガス励起発光源で、パラボリック反射ミラーと組合せられて概ね平行な可視光ビームを生成するが、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス(発散角)の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。 4 is a gas-excited emission source with a parabolic reflection mirror, which is a light source, and generates a substantially parallel visible light beam in combination with a parabolic reflection mirror. The resulting collimated beam is a high quality collimator with as little divergence (divergence angle) as possible In order to produce a luminous flux, the discharge gap is designed to be as narrow as possible so as to limit the electron excitation region of the gas, and the light source is close to point light source emission.
さらに、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して2点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するが、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。 Furthermore, in order to obtain a light emitting source that is closer to a point light source, instead of applying an AC bias to the discharge gap and emitting electrons from both sides of the electrode to form a two point point light source, the luminous efficiency and energy conversion efficiency are improved. In some cases, a high-brightness point light source may be generated on the cathode electrode side by applying a DC bias.
次に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源4から放射された光束のうち可視光領域外の紫外線は、紫外線カットフィルター5によって吸収または反射作用にてカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質されるので、これを防止するのが主な目的である。 Next, ultraviolet rays outside the visible light region of the light flux emitted from the gas excitation light source 4 with the parabolic reflection mirror are absorbed or reflected by the ultraviolet cut filter 5. In the long term, ultraviolet rays can also excite or degrade the optical glass or optical thin film that is the material of the lens, but when using liquid crystal elements in light modulation panels, liquid crystal polymers that are organic materials are The main purpose is to prevent this.
次に、紫外線カットフィルター5を通過した可視光光束は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6に入射する。第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有するもので、入射する光束をアレイの個数分に分割し、個々に焦線を結んだ後、シリンドリカルコンデンサーレンズ12によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。
Next, the visible light beam that has passed through the ultraviolet cut filter 5 is incident on the first cylindrical array homogenizer 6. The first cylindrical array homogenizer 6 has refracting power only in the vertical direction in the figure, and divides the incident light flux into the number of the array, individually connects the focal lines, and then is again predetermined by the
ここで、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6とシリンドリカルコンデンサーレンズ12の主平面間隔は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ12の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。
Here, the main plane distance between the first cylindrical array homogenizer 6 and the
さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ12は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ12の焦線の位置で、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート操作がなされる。そして、シリンドリカルコンデンサーレンズ12の焦線の位置が光変調パネル1の変調面となる。
Further, since the optical axis of the first cylindrical array homogenizer 6 is decentered with respect to the optical axis of each array, the
第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6を通過した光束は、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー7を通過する。この第2シリンドリカルアレイホモジナイザー7の焦線の位置は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の各アレイの瞳位置に設定されており、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー7とシリンドリカルコンデンサーレンズ12のタンデムレンズ構成で、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の各アレイの瞳と光変調パネル1の変調面とが光学的に共役関係とされている。このため、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の各アレイの瞳は、図中の垂直方向において光変調パネル1の変調面に結像される。
The light beam that has passed through the first cylindrical array homogenizer 6 passes through the second cylindrical array homogenizer 7. The position of the focal line of the second cylindrical array homogenizer 7 is set to the pupil position of each array of the first cylindrical array homogenizer 6, and the second cylindrical array homogenizer 7 and the
ガス励起発光源4から放射された光束は完全な平行光とはならず、ダイバージェンスを有している。このため、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー7は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー6の各アレイの瞳を通過した光束を確実に光変調パネル1の変調面に導く。 The light beam emitted from the gas excitation light source 4 does not become completely parallel light but has divergence. Therefore, the second cylindrical array homogenizer 7 reliably guides the light beams that have passed through the pupils of the respective arrays of the first cylindrical array homogenizer 6 to the modulation surface of the light modulation panel 1 in order to correct the divergence of the divergence. .
第2シリンドリカルアレイホモジナイザー7を通過した光束は、偏光変換素子アレイ8に入射する。偏光変換素子アレイ8は、一般に液晶プロジェクタで用いられているPS変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の水平方向に平行な偏光成分のみに変換するものである。すなわち、図中の垂直方向の偏光成分は偏光分離膜を通過させ、偏光変換素子アレイを出射する直前で半波長位相差板(図示せず)で偏光方向を90度変換して図中の水平方向の直線偏光として出射させる。偏光分離膜で反射した図中水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射して光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ出射させる。こうして、偏光変換素子アレイ8を通過した光束はすべて図中の水平方向の直線偏光となる。 The light beam that has passed through the second cylindrical array homogenizer 7 enters the polarization conversion element array 8. The polarization conversion element array 8 is similar to what is generally called a PS conversion element used in a liquid crystal projector, and is an array in which light emitted from a lamp unit is superimposed on a polarization beam splitter. It converts only to a polarized light component parallel to the horizontal direction. That is, the polarization component in the vertical direction in the figure passes through the polarization separation film, and the polarization direction is changed by 90 degrees with a half-wave retardation plate (not shown) immediately before exiting the polarization conversion element array, and the horizontal direction in the figure. Output as linearly polarized light in the direction. The horizontal polarization component in the figure reflected by the polarization separation film is reflected again by the polarization separation film of the adjacent polarization beam splitter array, and the optical path is shifted by the array pitch and emitted. In this way, all the light beams that have passed through the polarization conversion element array 8 become horizontal linearly polarized light in the drawing.
偏光変換素子アレイ8を通過した光束は、シリンドリカルレンズアレイ3と波長帯域空間分離手段2を介して第1シリンドリカルレンズ9に入射する。シリンドリカルレンズアレイ3と波長帯域空間分離手段2の機能については後述する。第1シリンドリカルレンズ9は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう2つ配置されている第2非球面シリンドリカルレンズ10と第3非球面シリンドリカルレンズ11との組み合わせによってビームコンプレッサを形成している。したがって、第1シリンドリカルレンズ9に入射する光束は、図中の水平方向においては圧縮され光変調パネル1に導かれる。
The light beam that has passed through the polarization conversion element array 8 is incident on the first cylindrical lens 9 via the
第1シリンドリカルレンズ9を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ12に入射し、上述したようにこのシリンドリカルコンデンサーレンズ12によって、シリンドリカルコンデンサーレンズ12の焦線位置にある光変調パネル1の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。
The light beam that has passed through the first cylindrical lens 9 is incident on the
シリンドリカルコンデンサーレンズ12を通過した光束は、第2非球面シリンドリカルレンズ10および第3非球面シリンドリカルレンズ11に入射する。上述したように、第2非球面シリンドリカルレンズ10と第3非球面シリンドリカルレンズ11は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第1シリンドリカルレンズ9と対になってビームコンプレッサを形成している。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル1に光束が導かれる。
The light beam that has passed through the
さらに、この第2非球面シリンドリカルレンズ10と第3非球面シリンドリカルレンズ11によって、シリンドリカルレンズアレイ3の焦線像が光変調パネル1の変調面に結像投影される。
Further, the second aspherical
第2非球面シリンドリカルレンズ10と第3非球面シリンドリカルレンズ11は、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー7の役割と同様に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源4から放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第1シリンドリカルレンズ9の瞳を通過した光束を確実に光変調パネル1の変調面に導くために配置されている。
Similar to the role of the second cylindrical array homogenizer 7, the second aspherical
第3非球面シリンドリカルレンズ11を通過した光束は、偏光ビームスプリッタ13に入射して図中縦方向に偏光している光束は、偏光ビームスプリッタ13の偏光分離膜で液晶光変調パネル1によって、偏光状態を光変調パネルドライバー16の画像ドライブ信号にしたがって変調され、偏光方向の変換を受けた光は偏光ビームスプリッタ13の偏光分離膜を通過して投影レンズ14に導かれ、液晶光変調パネル1の変調面の情報を光拡散スクリーン15に結像投影し、画像が表示される。
The light beam that has passed through the third aspherical
一方、偏光変換素子アレイ8を通過した後、シリンドリカルレンズアレイ3と波長帯域空間分離手段2における光束の振る舞いは、図中横方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイ3の各シリンドリカル面によって光束が領域分割され、各シリンドリカル面によってレンズ作用を受け、焦線アレイを形成する。ただしこの時入射する光束はダイバージェンスを有しているため、各焦線は細線とはならず、所定幅を有したストライプパターンが形成される。このストライプパターンを波長帯域空間分離手段2によって色分離してから、第2非球面シリンドリカルレンズ10と第3非球面シリンドリカルレンズ11によって液晶光変調パネル1の光変調面へシリンドリカルレンズアレイ3の配列方向に投影結像転送するのであるが、上記波長帯域空間分離手段2による色分離方法に関しては詳細な説明を後述する。
On the other hand, after passing through the polarization conversion element array 8, the behavior of the light beam in the
液晶光変調パネル1の画素偏光変調ドライブによって光変調された光は、ON出力画素による光反射光は直線偏光がπの位相差変調が与えられ入射光の偏光方向に対して90度異なる偏光方向の光に変換され、偏光ビームスプリッタ13の偏光分離膜を通過し投影レンズ14へ転送され、OFF出力画素による光反射光は直線偏光方向が保存され、偏光ビームスプリッタ13の偏光分離膜で反射され、光源側に戻されることによって画像情報の光変調が行われるものである。
The light modulated by the pixel polarization modulation drive of the liquid crystal light modulation panel 1 has a polarization direction that is 90 degrees different from the polarization direction of the incident light because the light reflected by the ON output pixel is subjected to phase difference modulation with linear polarization of π. And is transmitted to the
次に、投影レンズ14がとらえたON出力画素の光は、光拡散スクリーン15に結像投影されて光変調パターンが表示されるものである。
Next, the light of the ON output pixels captured by the
一方、液晶光変調パネル1をドライブする変調信号に流れとしては、不図示の外部ビデオ入力信号を光変調パネル駆動信号に変換する光変調パネルドライバー16からのドライブ信号を図中の実線を介して液晶光変調パネル1を制御されるものである。
On the other hand, as a flow of a modulation signal for driving the liquid crystal light modulation panel 1, a drive signal from the light
また、投写型表示装置として、スクリーン15は反射型であっても透過型であってもよく、かつ所定拡散性を有するものを用いればスクリーン15を直視して画像を認識する表示装置として機能するものである。
Further, as the projection display device, the
次に、波長帯域空間分離手段2による色分離方法について図5を用いて説明する。 Next, a color separation method by the wavelength band space separation means 2 will be described with reference to FIG.
図5は波長帯域空間分離手段2による色分離方法を説明するために、シリンドリカルレンズアレイ3によって分割される、各光束の中心光線のみを常光線および異常光線、かつ分割波長帯域中心光線の光路を示している。実際の光束は収束発散角を有しているため、各分離光束の重なり合いが生じるが、色分離は光の偏光成分による常光、異常光によって平行シフトで分離するため、シリンドリカルレンズアレイ3によって生成されるストライプ光像面を不図示の図1から図3中の10と11で示される第2非球面シリンドリカルレンズと第3非球面シリンドリカルレンズによって投影転送されて、色分離したストライプ像を転送することができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating the color separation method by the wavelength band space separation means 2, and the optical path of only the central ray of each light beam divided by the
図5に示される各部分および機能について詳細に説明する。 Each part and function shown in FIG. 5 will be described in detail.
図中左端の矢印にて示される方向から、偏光変換素子アレイ8によって図5中縦方向に直線偏光した白色自然光がシリンドリカルレンズアレイ3に入射され、入射光は不図示のパラボリック反射ミラー付きガス励起発光源4からのダイバージェンスを有した略平行ビームが入射する。シリンドリカルレンズアレイ3は入射光束に各シリンドリカル面領域で紙面上下方向に屈折力を与えられアレイ状の収束光束を生成する。この生成されたアレイ状の収束光束はシリンドリカルレンズの焦線位置付近に最小幅のストライプ光像を形成し、以後発散光として夫々の光束が重なり合うように進行する。この光の進行に対して、偏光成分と波長成分を利用して色を空間的に分離するのであるが、シリンドリカルレンズ3から波長帯域空間分離手段2に入射した光は、波長帯域空間分離手段2の一構成要素であるブルークロス位相差付与カラー偏光子2PAに各光束の中心光線が垂直入射する。入射した光はブルー色の波長帯域のみ電磁波の電界ベクトルと磁界ベクトルにπの位相差、つまりリタデーションが与えられ、結果的にブルー色の波長帯域のみの直線偏光成分がクロスの直交変換を受け、ブルー色の図中縦方向の直線偏光は図中紙面垂直方向の直線偏光に変換される。他のイエロー色成分は何の作用も受けないで図中縦方向の直線偏光にて出射する。
White natural light linearly polarized in the vertical direction in FIG. 5 is incident on the
次に、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aの2SAに入射し、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aは、ニオブ酸リチウムの単結晶を素材として結晶光軸は光の入射面に対して図中太実線矢印方向に示してあるとうり約45度傾いている。ニオブ酸リチウムの単結晶は負の一軸性屈折率楕円体結晶であり、常屈折率と異常屈折率によって、結晶光軸ニ対して垂直な方向の偏光成分に対しては常光線として作用し、結晶光軸ニ対して平行な成分に対しては異常光線として作用するサバール板を形成しているものである。 Next, the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A is incident on 2SA of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A. The negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A is made of a single crystal of lithium niobate and the crystal optical axis is relative to the light incident surface. As shown in the direction of the thick solid arrow in the figure, it is inclined about 45 degrees. The single crystal of lithium niobate is a negative uniaxial refractive index ellipsoidal crystal, and acts as an ordinary ray for the polarization component in the direction perpendicular to the crystal optical axis d due to the ordinary refractive index and the extraordinary refractive index. A Savart plate acting as an extraordinary ray is formed for a component parallel to the crystal optical axis d.
入射した自然光の光軸は電磁波の偏光方向に成分分解され、上記結晶光軸と垂直な成分の偏波(図中×マークの偏光方向波)は、常光としてそのまま直進し、結晶光軸と平行な成分を有する偏波(図中縦方向矢印で示されている偏光方向波)は、異常光線として進行方向を曲げられ図5中下方向に進行する。サバール板の板厚L1に依存する量だけ、常光と異常光が分離され、サバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aの2SAを出射する時には光線ベクトルは、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aの2SAに入射するベクトルを保存して出射することとなる。 The optical axis of the incident natural light is decomposed into the polarization direction of the electromagnetic wave, and the polarized wave having the component perpendicular to the crystal optical axis (the polarization direction wave of the mark in the figure) goes straight as normal light and is parallel to the crystal optical axis. A polarized wave having a large component (a polarization direction wave indicated by a vertical arrow in the figure) is bent in the traveling direction as an extraordinary ray and travels downward in FIG. When ordinary light and extraordinary light are separated by an amount depending on the plate thickness L1 of the Savart plate, and the 2SA of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A that is a Savart plate is emitted, the light vector is a negative refractive index ellipsoidal crystal. The vector incident on 2SA of the birefringent element A is stored and emitted.
したがって、ブルークロス位相差付与カラー偏光子2PAの作用によって生成された、図中紙面垂直方向に直線偏光したブルー光束、つまりブルー色の常光線は進行方向のシフト変位を受けずにそのまま進行し、図中縦方向に直線偏光したイエロー光束、つまりイエロー色の異常光線は図中Pにて示されるピッチPだけ下方にシフト変位を受けて出射する。 Therefore, a blue light beam linearly polarized in the direction perpendicular to the paper surface in the drawing, that is, a blue ordinary ray generated by the action of the blue cross phase difference imparting color polarizer 2PA, travels as it is without being shifted in the traveling direction, A yellow light beam linearly polarized in the vertical direction in the drawing, that is, an extraordinary ray of yellow color, is shifted downward by a pitch P indicated by P in the drawing and is emitted.
次にサバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aの2SAによって一段階の光束分離を受けた光は、グリーンクロス位相差付与カラー偏光子2PBに各光束の中心光線が垂直入射する。入射した光はグリーン色の波長帯域のみ電磁波の電界ベクトルと磁界ベクトルにπの位相差、つまりリタデーションが与えられ、結果的にグリーン色の波長帯域のみの直線偏光成分がクロスの直交変換を受け、グリーン色の異常光線は常光線に変換され、他のブルーとレッド色成分は何の作用も受けないで出射する。 Next, the light that has undergone one-step light beam separation by the 2SA of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A, which is a Savart plate, enters the green cross phase difference imparting color polarizer 2PB perpendicularly to the central ray of each light beam. Incident light is given a phase difference of π, that is, retardation, to the electric field vector and magnetic field vector of the electromagnetic wave only in the green wavelength band, and as a result, the linearly polarized component only in the green wavelength band undergoes cross orthogonal transformation, Green extraordinary rays are converted to ordinary rays, and the other blue and red components are emitted without any action.
次に、またサバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Bの2SBに入射する。入射する光は、常光線のブルー色と、ピッチPだけ異なる位置にある常光線のグリーン色、異常光線のレッド色となる。負屈折率楕円体結晶複屈折素子Bは負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aと同様に、ニオブ酸リチウムの単結晶を素材として結晶光軸は光の入射面に対して図中太実線矢印方向に示してあるとうり約45度傾いている。結晶光軸ニ対して垂直な方向の偏光成分に対しては常光線として作用し、結晶光軸ニ対して平行な成分に対しては異常光線として作用するサバール板を形成しているものであって、入射した光は、上記結晶光軸と垂直な成分の偏波は、常光線としてそのまま直進し、結晶光軸と平行な成分を有する偏波は、異常光線として進行方向を曲げられ図5中下方向に進行する。サバール板として作用する負屈折率楕円体結晶複屈折素子Bの板厚L2は、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aの板厚L1と同じ厚みに設定してあり、板厚L2に依存する量だけ、常光と異常光が分離され、サバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Bの2SAを出射する時には光線ベクトルは、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Bの2SAに入射するベクトルを保存して出射することとなる。即ち、異常光線のレッド色のみ図5中下方向に進行し、サバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Aによる光束シフト量と同一分だけシフトするように設計されている。従って出射光束は、波長帯域空間分離手段2に入射して何のシフト変位を受けないブルー色の常光線と、図中Pで示されるピッチP分下方シフト変位を受けたグリーン色の常光線と、2倍のピッチP分下方シフトを受けたレッド色の異常光線に分離して出射する。 Next, the light enters the 2SB of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element B, which is also a Savart plate. The incident light has the ordinary blue color, the ordinary light green color and the extraordinary red color at positions different by the pitch P. Similarly to the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A, the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element B is made of a single crystal of lithium niobate and the crystal optical axis is a solid solid arrow in the figure with respect to the light incident surface. As shown in the direction, it tilts about 45 degrees. It forms a Savart plate that acts as an ordinary ray for a polarized component perpendicular to the crystal optical axis d and acts as an extraordinary ray for a component parallel to the crystal optical axis d. In the incident light, the polarization of the component perpendicular to the crystal optical axis goes straight as an ordinary ray, and the polarization having a component parallel to the crystal optical axis is bent in the traveling direction as an extraordinary ray. Proceeds in the middle down direction. The plate thickness L2 of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element B acting as a Savart plate is set to the same thickness as the plate thickness L1 of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element A, and depends on the plate thickness L2. When the ordinary light and the extraordinary light are separated by the amount, and the 2SA of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element B which is a Savart plate is emitted, the light vector is incident on the 2SA of the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element B. The vector is stored and emitted. That is, only the red color of the extraordinary ray travels downward in FIG. 5 and is designed to shift by the same amount as the light beam shift amount by the negative refractive index ellipsoidal crystal birefringence element A which is a Savart plate. Therefore, the emitted light beam is incident on the wavelength band space separating means 2 and is not subjected to any shift displacement, and the blue ordinary ray is subjected to the downward shift displacement by the pitch P indicated by P in the figure. The light is separated into red extraordinary rays that have been shifted downward by twice the pitch P and emitted.
次に、さらにレッドクロス位相差付与カラー偏光子2PCに各光束の中心光線が垂直入射する。入射した光はレッド色の波長帯域のみπのリタデーションが与えられ、結果的にレッド色の波長帯域のみの直線偏光成分がクロスの直交変換を受け、レッド色の異常光線は常光線へ変換され、他のブルー色、グリーン色成分は何の作用も受けないで出射する。このレッドクロス位相差付与カラー偏光子2PCの作用によって出射光束はすべて図5中紙面垂直方向に直線偏光した光、すなわち波長帯域空間分離手段2に入射して何のシフト変位を受けないブルー色の常光線と、図中Pで示されるピッチP分下方シフト変位を受けたグリーン色の常光線と、2倍のピッチP分下方シフトを受けたレッド色の常光線に分離して出射する。 Next, the central light beam of each light beam enters the red cross phase difference imparting color polarizer 2PC vertically. The incident light is given a π retardation only in the red wavelength band, and as a result, the linearly polarized light component only in the red wavelength band undergoes cross orthogonal transformation, and the red extraordinary ray is converted into an ordinary ray, The other blue and green color components are emitted without any action. Due to the action of the red cross phase difference imparting color polarizer 2PC, all the emitted light beams are linearly polarized light in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 5, that is, the blue color light that is incident on the wavelength band space separation means 2 and receives no shift displacement. The light is separated into an ordinary ray, a green ordinary ray that has been shifted down by the pitch P indicated by P in the figure, and a red ordinary ray that has been shifted down by the pitch P twice as much.
さらに、図中紙面垂直方向の直線偏光光束のみを通過させ、楕円偏光成分、図中縦方向の偏光成分を吸収するポラライザー2Rを、波長帯域空間分離手段2の光束出射側に設けることで、各カラー偏光子の作用誤差、かつ、各サバール板の作用誤差に起因する、不要な偏光成分を除去することができ、色純度の高い色分離ストライプ像を形成することができる。
Furthermore, by providing a
一方、波長帯域空間分離手段2を最終的に出射する光束は、シリンドリカルレンズアレイのピッチはピッチPの3倍に間隔で設計されているため、色分離したストライプ像は、ブルー、グリーン、レッドのピッチPでの繰り返し等間隔像が形成されるものである。 On the other hand, since the light beam finally emitted from the wavelength band space separating means 2 is designed so that the pitch of the cylindrical lens array is three times the pitch P, the color-separated stripe images are blue, green and red. A repetitively equidistant image at the pitch P is formed.
したがって、波長帯域空間分離手段2を出射する光束は、常光ブルー光束100Bと、常光グリーン光束100G、常光レッド光束100Rといったパターンの繰り返し光束が生成される。
Accordingly, the luminous flux emitted from the wavelength band space separation means 2 is generated as a repeated luminous flux having a pattern of the ordinary light blue
次に生成された平行ピッチシフトの色分離光束が生成されたことによって、前述したシリンドリカルレンズアレイ3の焦線集光ストライプパターンを第2非球面シリンドリカルレンズ10と第3非球面シリンドリカルレンズ11によって、液晶光変調パネル1へ色分離ストライプパターンが投影転送され、図5中のSで示される矢印方向にシリンドリカルレンズアレイ3を不図示のリニア超音波モータ等のアクチュエータによってレシプロシフト動作させることで、液晶光変調パネル1の光変調面1Eの色分離ストライプ照明像は移動動作するものである。
Next, the generated parallel pitch shift color-separated light fluxes are generated, so that the focal line focusing stripe pattern of the
移動動作について図6を用いて説明する。 The moving operation will be described with reference to FIG.
色分離ストライプ照明像は図6中、Sにて示される矢印方向に、シリンドリカルレンズアレイ3の移動に同期してレシプロシフトする。シリンドリカルレンズアレイ3の長さに応じてレシプロストロークは移動し、往復動作を繰り返すものである。
The color separation stripe illumination image is reciprocally shifted in synchronization with the movement of the
さらに、液晶光変調パネル1の各画素に照明される色に同期して、液晶光変調パネル1の各画素を色に対応した変調を行うことで、スクリーン15に投影表示される画像は時間的に色混色がなされフルカラーの画像を表示するものとなる。ただし、色の信号を変調する場合には、人間の視覚反応が追いつかない人間工学に法った時間的早さで変調および時間的色混色を行うものである。
Further, the image projected and displayed on the
液晶光変調パネルの変調書き換え速度から、現在通常一般的に用いているTN液晶の動作追従時間が5から20ミリ秒と遅いため、本実施形態においては、液晶光変調パネルに強誘電性液晶デバイス、または反強誘電性液晶デバイスを用いている。また、誘電異方性パラメータであるΔε値の大きな液晶分子材料を用いた動作性が1ミリ秒より速い液晶デバイスを用いることもできるものである。 Since the operation follow-up time of TN liquid crystal, which is generally used at present, is as slow as 5 to 20 milliseconds because of the modulation rewriting speed of the liquid crystal light modulation panel, in this embodiment, the liquid crystal light modulation panel includes a ferroelectric liquid crystal device. Or, an antiferroelectric liquid crystal device is used. In addition, a liquid crystal device having a operability using a liquid crystal molecular material having a large Δε value which is a dielectric anisotropy parameter and faster than 1 millisecond can be used.
また、シリンドリカルレンズアレイ3を動作させない場合は、照明装置のシリンドリカルレンズアレイ3から液晶光変調パネル1の間に、ポッケルス素子または光カー効果素子等の屈折率変調素子を配して、ポッケルス素子にかける電界強度の制御によって光束の平行移動制御を行ってもかまわないものである。
When the
(第2の実施形態)
本発明の照明装置を配した実施形態に係る第二の投写型表示装置の実施形態を図4に基づき説明する。図4は第二の投射型表示装置の実施形態を構成する主要な光学ユニットの要部概略斜視図である。
(Second Embodiment)
An embodiment of a second projection display device according to an embodiment in which the illumination device of the present invention is arranged will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic perspective view of a main part of a main optical unit constituting the embodiment of the second projection display device.
24は光源となるパラボリッック反射ミラー付きガス励起発光源で、パラボリック反射ミラーと組合せられて概ね平行な可視光ビームを生成するが、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス(発散角)の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。
さらに、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して2点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するが、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。 Furthermore, in order to obtain a light emitting source that is closer to a point light source, instead of applying an AC bias to the discharge gap and emitting electrons from both sides of the electrode to form a two point point light source, the luminous efficiency and energy conversion efficiency are improved. In some cases, a high-brightness point light source may be generated on the cathode electrode side by applying a DC bias.
次に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源24から放射された光束のうち可視光領域外の紫外線は、紫外線カットフィルター25によって吸収または反射作用にてカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質されるので、これを防止するのが主な目的である。
Next, ultraviolet rays outside the visible light region of the light flux emitted from the gas
次に、紫外線カットフィルター25を通過した可視光光束は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26に入射する。第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有するもので、入射する光束をアレイの個数分に分割し、個々に焦線を結んだ後、シリンドリカルコンデンサーレンズ32によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。
Next, the visible light beam that has passed through the ultraviolet cut filter 25 is incident on the first
ここで、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26とシリンドリカルコンデンサーレンズ32の主平面間隔は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ32の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。
Here, the main plane distance between the first
さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ32は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ32の焦線の位置で、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート操作がなされる。そして、シリンドリカルコンデンサーレンズ32の焦線の位置は、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34によって等倍結像リレー像投影転送され、液晶変調パネル21の変調面となる。
Further, since the optical axis of the first
第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26を通過した光束は、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー27を通過する。この第2シリンドリカルアレイホモジナイザー27の焦線の位置は、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の各アレイの瞳位置に設定されており、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー27とシリンドリカルコンデンサーレンズ32のタンデムレンズ構成で、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の各アレイの瞳と光変調パネル21の変調面とが、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34によって等倍結像リレー像投影転送され、光学的に共役関係とされている。このため、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の各アレイの瞳は、図中の垂直方向において光変調パネル21の変調面に結像される。
The light beam that has passed through the first
ガス励起発光源24から放射された光束は完全な平行光とはならず、ダイバージェンスを有している。このため、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー27は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第1シリンドリカルアレイホモジナイザー26の各アレイの瞳を通過した光束をミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34を介して確実に光変調パネル21の変調面に導く。
The light beam emitted from the gas excitation light-emitting
第2シリンドリカルアレイホモジナイザー27を通過した光束は、偏光変換素子アレイ28に入射する。偏光変換素子アレイ28は、一般に液晶プロジェクタで用いられているPS変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の水平方向に平行な偏光成分のみに変換するものである。すなわち、図中の垂直方向の偏光成分は偏光分離膜を通過させ、偏光変換素子アレイを出射する直前で半波長位相差板(図示せず)で偏光方向を90度変換して図中の水平方向の直線偏光として出射させる。偏光分離膜で反射した図中水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射して光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ出射させる。こうして、偏光変換素子アレイ28を通過した光束はすべて図中の水平方向の直線偏光となる。
The light beam that has passed through the second
偏光変換素子アレイ28を通過した光束は、第1シリンドリカルレンズ29に入射する。第1シリンドリカルレンズ29は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう1つ配置されている第2シリンドリカルレンズ30との組み合わせによってビームコンプレッサを形成している。したがって、第1シリンドリカルレンズ29に入射する光束は、図中の水平方向においては圧縮され、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34を介して、液晶光変調パネル21に導かれる。
The light beam that has passed through the polarization
第1シリンドリカルレンズ29を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ32に入射し、上述したようにこのシリンドリカルコンデンサーレンズ32によって、シリンドリカルコンデンサーレンズ32の焦線位置の共役位置にある光変調パネル21の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。
The light beam that has passed through the first
シリンドリカルコンデンサーレンズ32を通過した光束は、第2シリンドリカルレンズ30に入射する。上述したように、第2シリンドリカルレンズ30は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第1シリンドリカルレンズ29と対になってビームコンプレッサを形成している。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34を介して、光変調パネル21に光束が導かれる。
The light beam that has passed through the cylindrical condenser lens 32 enters the second
さらに、この第2シリンドリカルレンズ30によって、第1シリンドリカルレンズ29の瞳像が、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34を介して、液晶光変調パネル21の変調面に結像投影される。
Further, the second
第2シリンドリカルレンズ30は、第2シリンドリカルアレイホモジナイザー27の役割と同様に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源24から放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第1シリンドリカルレンズ29の瞳を通過した光束を、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34を介して、確実に液晶光変調パネル21の変調面に導くために配置されている。
Similar to the role of the second
第2シリンドリカルレンズ30を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズの焦線位置に相当する近傍に配置されたシリンドリカルレンズアレイ23と波長帯域空間分離手段22を介して、かつインテグレートされた光束とシリンドリカルレンズアレイ23が生成するストライプライン像を、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34によって等倍結像リレー像投影転送され、かつ、偏光ビームスプリッタ35に入射して図中縦方向に偏光している光束は、偏光ビームスプリッタ35の偏光分離膜で液晶光変調パネル21によって、偏光状態を光変調パネルドライバー37の画像ドライブ信号にしたがって変調され、偏光方向の変換を受けた光は偏光ビームスプリッタ35の偏光分離膜を通過して投影レンズ36に導かれ、液晶光変調パネル21の変調面の情報を光拡散スクリーン15に結像投影し、画像が表示される。
The light beam that has passed through the second
一方、シリンドリカルレンズアレイ23と波長帯域空間分離手段22における光束の振る舞いは、図中横方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイ23の各シリンドリカル面によって光束が領域分割され、各シリンドリカル面によってレンズ作用を受け、焦線アレイを形成する。ただしこの時入射する光束はダイバージェンスを有しているため、各焦線は細線とはならず、所定幅を有したストライプパターンが形成される。このストライプパターンを波長帯域空間分離手段22によって色分離してから、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34によって等倍結像リレー像投影転送され、液晶光変調パネル21の光変調面へシリンドリカルレンズアレイ3の配列方向に無収差投影結像転送するのであるが、上記波長帯域空間分離手段22による色分離方法に関しては第1の実施形態にて説明してきた原理と全く同様である。
On the other hand, the behavior of the light beam in the cylindrical lens array 23 and the wavelength band space separating means 22 is as follows. The light beam is divided into regions by the cylindrical surfaces of the cylindrical lens array 23 arranged in the horizontal direction in the figure, and the lens action is received by each cylindrical surface. , Forming an array of focal lines. However, since the incident light beam has divergence, each focal line is not a thin line, and a stripe pattern having a predetermined width is formed. The stripe pattern is color-separated by the wavelength band space separation means 22, and is projected and transferred by the same magnification relay image by the
液晶光変調パネル21の画素偏光変調ドライブによって光変調された光は、ON出力画素による光反射光は直線偏光がπの位相差変調が与えられ入射光の偏光方向に対して90度異なる偏光方向の光に変換され、偏光ビームスプリッタ35の偏光分離膜を通過し投影レンズ36へ転送され、OFF出力画素による光反射光は直線偏光方向が保存され、偏光ビームスプリッタ35の偏光分離膜で反射され、光源側に戻されることによって画像情報の光変調が行われるものである。
The light modulated by the pixel polarization modulation drive of the liquid crystal light modulation panel 21 is light-reflected by the ON output pixel, and the polarization direction is 90 degrees different from the polarization direction of the incident light because the linearly polarized light is subjected to phase difference modulation of π. And is transmitted to the
次に、投影レンズ36がとらえたON出力画素の光は、光拡散スクリーン15に結像投影されて光変調パターンが表示されるものである。
Next, the light of the ON output pixels captured by the
一方、液晶光変調パネル21をドライブする変調信号に流れとしては、不図示の外部ビデオ入力信号を光変調パネル駆動信号に変換する光変調パネルドライバー37からのドライブ信号を図中の実線を介して液晶光変調パネル21を制御されるものである。 On the other hand, as a flow of a modulation signal for driving the liquid crystal light modulation panel 21, a drive signal from the light modulation panel driver 37 that converts an external video input signal (not shown) into a light modulation panel drive signal is shown through a solid line in the figure. The liquid crystal light modulation panel 21 is controlled.
また、投写型表示装置として、スクリーン15は反射型であっても透過型であってもよく、かつ所定拡散性を有するものを用いればスクリーン15を直視して画像を認識する表示装置として機能するものである。
Further, as the projection display device, the
次に、シリンドリカルレンズアレイ23と波長帯域空間分離手段22によって色分離生成された平行ピッチシフトの色分離光束が、前述したシリンドリカルレンズアレイ23の焦線集光ストライプパターンをミラープロジェクション系を構成する凹面鏡33と凸面鏡34によって等倍結像リレー像投影転送することによって、液晶光変調パネル21へ色分離ストライプパターンが投影転送され、図4中の矢印で示される方向にシリンドリカルレンズアレイ23を不図示のリニア超音波モータ等のアクチュエータによってレシプロシフト動作させることで、液晶光変調パネル21の光変調面の色分離ストライプ照明像は第1の実施形態にて説明してきたことと全く同様に移動動作するものである。
Next, the parallel pitch-shifted color-separated light flux generated by color separation by the cylindrical lens array 23 and the wavelength band space separating means 22 is used to convert the above-mentioned focal ray condensing stripe pattern of the cylindrical lens array 23 into a concave mirror constituting a mirror projection system. By projecting and transferring the same-magnification
さらに、液晶光変調パネル21の各画素に照明される色に同期して、液晶光変調パネル21の各画素を色に対応した変調を行うことで、スクリーン15に投影表示される画像は時間的に色混色がなされフルカラーの画像を表示するものとなる。ただし、色の信号を変調する場合には、人間の視覚反応が追いつかない人間工学に法った時間的早さで変調および時間的色混色を行うものである。
Furthermore, the image projected and displayed on the
液晶光変調パネルの変調書き換え速度から、現在通常一般的に用いているTN液晶の動作追従時間が5から20ミリ秒と遅いため、本実施形態においては、液晶光変調パネルに強誘電性液晶デバイス、または反強誘電性液晶デバイスを用いている。また、誘電異方性パラメータであるΔε値の大きな液晶分子材料を用いた動作性が1ミリ秒より速い液晶デバイスを用いることもできるものである。 Since the operation follow-up time of TN liquid crystal, which is generally used at present, is as slow as 5 to 20 milliseconds because of the modulation rewriting speed of the liquid crystal light modulation panel, in this embodiment, the liquid crystal light modulation panel includes a ferroelectric liquid crystal device. Or, an antiferroelectric liquid crystal device is used. In addition, a liquid crystal device having a operability using a liquid crystal molecular material having a large Δε value which is a dielectric anisotropy parameter and faster than 1 millisecond can be used.
また、シリンドリカルレンズアレイ3を動作させない場合は、照明装置のシリンドリカルレンズアレイ23から液晶光変調パネル21の間に、ポッケルス素子または光カー効果素子等の屈折率変調素子を配して、ポッケルス素子にかける電界強度の制御によって光束の平行移動制御を行ってもかまわないものである。
When the
以上説明してきた投写型表示装置の動作および構成からわかるように、本実施例は、光源からの光を直線偏光状態の光に変換し、1次元シリンドリカルレンズアレイを介してストライプ光像形成し、前記ストライプ光像を結像レンズによって被照明対象物へ投影照明する照明系であって、前記ストライプ光像を被照明対象物に投影する光路中に、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段を設け、複数の色に分解された多色ストライプ光像を被照明対象物へ照明する照明装置を提供し、かつ光変調画素が2次元に配列された空間光変調素子を照明し、照明光となる多色ストライプ光像を時間的変位手段によって変位させ、入力される画像信号と照明される色とに同期させて、空間光変調素子の各画素を変調し、変調された画像情報を有する出力光を投影レンズによって単板の空間光変調器で構成することができ、色分離合成時の光量転送ロスや、光源からの放射光量の利用効率が低下してしまうといった問題を解決し、光源光の利用効率の高い、飛躍的に明るい投写表示画像が得られる投射型表示装置を提供することを可能にしたものである。 As can be seen from the operation and configuration of the projection display apparatus described above, this embodiment converts light from a light source into light in a linearly polarized state, forms a stripe optical image via a one-dimensional cylindrical lens array, An illumination system for projecting and illuminating the stripe light image onto an object to be illuminated by an imaging lens, wherein an optical path for projecting the stripe light image onto the object to be illuminated has a multilayer structure of a color polarizer and a birefringent element. A spatial light modulation element provided with a wavelength band spatial separation means, and for illuminating an object to be illuminated with a multicolor striped light image separated into a plurality of colors, and in which light modulation pixels are two-dimensionally arranged The multi-color striped light image that becomes the illumination light is displaced by the temporal displacement means, and each pixel of the spatial light modulation element is modulated and synchronized in synchronization with the input image signal and the illuminated color. The output light having the image information can be constituted by a single-plate spatial light modulator by a projection lens, and the light quantity transfer loss at the time of color separation / synthesis and the utilization efficiency of the light quantity emitted from the light source are reduced. The present invention solves the problem and makes it possible to provide a projection display device that can obtain a brightly projected display image with high utilization efficiency of light source light.
1 液晶光変調パネル
1E 液晶光変調パネル有効配列領域
2 波長帯域空間分離手段
2SA 負屈折率楕円体結晶複屈折素子A
2SB 負屈折率楕円体結晶複屈折素子B
2PA ブルークロス位相差付与カラー偏光子
2PB グリーンクロス位相差付与カラー偏光子
2PC レッドクロス位相差付与カラー偏光子
2R ポラライザー
3 シリンドリカルレンズアレイ
4 パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源
5 紫外線カットフィルタ
6 第1シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
7 第2シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
8 偏光変換素子アレイ
9 第1シリンドリカルレンズ
10 第2非球面シリンドリカルレンズ
11 第3非球面シリンドリカルレンズ
12 シリンドリカルコンデンサーレンズ
13 偏光ビームスプリッタ
14 投影レンズ
15 光拡散スクリーン
16 光変調パネルドライバー
21 液晶光変調パネル
22 波長帯域空間分離手段
23 シリンドリカルレンズアレイ
24 パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源
25 紫外線カットフィルタ
26 第一シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
27 第二シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
28 偏光変換素子アレイ
29 第一シリンドリカルレンズ
30 第二シリンドリカルレンズ
31 光束遮蔽板
32 シリンドリカルコンデンサーレンズ
33 凹面鏡
34 凸面鏡
35 偏光ビームスプリッタ
36 投影レンズ
37 光変調パネルドライバー
100R 常光レッド光束
100G 常光グリーン光束
100B 常光ブルー光束
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Liquid crystal light modulation panel 1E Liquid crystal light modulation panel effective arrangement | sequence area |
2SB Negative refractive index ellipsoidal crystal birefringent element B
2PA Blue cross phase difference imparting color polarizer 2PB Green cross phase difference imparting color polarizer 2PC Red cross phase difference imparting
Claims (16)
The projection display apparatus according to claim 9, wherein the projected image is projected on a screen and can be recognized by diffuse transmitted light having a predetermined directivity.
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