JP2014174355A - 光学系およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高コントラストの画像を投影すること
【解決手段】光学系は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する偏光分離素子７と、青の色光を透過し、それ以外の色光を反射する第１の色分離面９ａを有する第１のダイクロイックプリズム９と、偏光分離素子７と第１のダイクロイックプリズム９の間に配置された位相差板８と、を有し、位相差板の光学軸は、第１のダイクロイックプリズム９の第１の色分離面９ａの法線と反射型液晶表示素子１３Ｇの入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ反射型液晶表示素子１３Ｇの入出射面の法線に対して傾いている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学系およびそれを用いた投射型表示装置に関する。

特許文献１、２は、偏光分離素子の後に３つの色光の分離と合成を行うダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズム、３枚の反射型液晶表示素子を有する投射型表示装置ものを提案している。

特開２００３−１２１７９３号公報 特開２００９−２３７５６５号公報

しかしながら、特許文献１、２の構成は、色分離面または色合成面として機能するダイクロイック膜の実際の偏光軸の方向は入射光の偏光方向からずれているため、ダイクロイック膜を通過した光は楕円偏光になって投射画像のコントラストの低下を招く。

本発明は、高コントラストの画像を投影することが可能な光学系およびそれを用いた投射型表示装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の光学系は、色光を変調して反射する画像変調素子と、第１の偏光光を透過し、前記第１の偏光光と直交する第２の偏光光を反射する偏光分離手段と、第１の色光を透過し、前記第１の色光とは波長領域が異なる第２の色光を反射する第１の色分離面を有する第１の色分離手段と、前記偏光分離手段と前記色分離手段の間に配置された第１の位相差板と、を有し、前記第１の位相差板の光学軸は、前記第１の色分離手段の前記第１の色分離面の法線と前記画像変調素子の入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ前記画像変調素子の前記入出射面の法線に対して傾いていることを特徴とする。

本発明によれば、高コントラストの画像を投影することが可能な光学系およびそれを用いた投射型表示装置を提供することができる。

本発明の投射型表示装置のブロック図である。（実施例１） 図１に示す位相差板の光学軸の方向を示す図である。（実施例１） 図１に示す第１のダイクロイックプリズムの色分離面に入射する光線を従来例と対比して示す図である。（実施例１） 図１に示す位相差板の効果を従来例と対比して示す図である。（実施例１） 本発明の投射型表示装置のブロック図である。（実施例２） 図５に示すカラーフィルタの構成を示す図である。（実施例２）

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１の投射型表示装置（画像投射装置、投射型表示装置）のブロック図である。投射型表示装置は、光源部と、照明光学系と、色分離合成光学系と、投射レンズ（投射光学系）１４を有する。

光源部は、光源１と放物面リフレクタ２からなり、光源（ランプの発光部）１から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ２によって略平行光となって射出される。本実施例の光源１は超高圧水銀ランプであるが、それに限られず、ＬＥＤやレーザー光源を用いてもよい。

照明光学系は、画像変調手段（反射型液晶表示素子、反射型液晶パネル）を照明し、ＵＶ−ＩＲ（紫外光・赤外光）カットフィルタ３、第１のレンズアレイ４、第２のレンズアレイ５、コンデンサーレンズ６を有する。

放物面リフレクタ２からの平行光束は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３に入射し、第１のレンズアレイ４によって複数の部分光束に分割され、その各々の部分光束が集光される。各分割光束は第２のレンズアレイ５の近傍に集光され、各部分光束がそれぞれ光源像（２次光源像）を形成する。第２のレンズアレイ５を射出した分割光束は、コンデンサーレンズ６によって集光され、反射型液晶表示素子１３を重畳的に照明する。

色分離合成光学系は、入射光を複数の色成分に分光し、各色成分の光（色光）を映像信号に応じて変調して反射し、光変調された色成分の光を合成する。色分離合成光学系は、偏光分離素子７、位相差板８、第１のダイクロイックプリズム９、第２のダイクロイックプリズム１０、プリズム１１、光変調手段を有する。

偏光分離素子７はＰ偏光光（第１の偏光光）を透過し、Ｓ偏光光（第２の偏光光）を反射する特性を有する偏光分離面を有する偏光分離手段であり、ワイヤーグリッド等で構成される。これにより、照明光はＰ偏光光に揃えられる。第１の偏光光と第２の偏光光は偏光方向が直交する。

偏光分離素子７を透過したＰ偏光光は位相差板（第１の位相差板）８に入射し、第１の色分離面を有する第１のダイクロイックプリズム（第１の色分離手段）９に入射する。第１のダイクロイックミラー９の第１の色分離面９ａは、青帯域（Ｂ）の色光（第１の色光）を反射し、赤帯域（Ｒ）の色光と緑帯域（Ｇ）の色光（これらを合わせて第２の色光）を透過する。Ｒの色光（第３の色光）、Ｇの色光（第４の色光）、Ｂの色光は波長領域がそれぞれ異なる。

従来は位相差板８が設けられておらず、第１のダイクロイックプリズム９の色分離面９ａに入射する図３（ｂ）に示す光線ａ〜ｉの偏光方向は図４（ａ）に示すものであり、図４（ｃ）に示す光線ａ〜ｉと色分離面からなるＰ偏光方向とは一致しなかった。この結果、色分離面９ａを通過した光線は、色分離面９ａで発生するＳ偏光光とＰ偏光光の位相差の影響を受けて、図４（ｄ）に示すように、楕円偏光となり、投射画像のコントラストが低下する原因となっていた。

一方、本実施例では、位相差板８は、図２に示すように、光学軸が第１のダイクロイックプリズム９の色分離面の法線と後述する反射型画像表示素子の入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ反射型画像表示素子１３の入出射面の法線に対して傾いている。これにより、位相差板８を通過した、図３（ａ）に示す光線ａ〜ｉの偏光方向は、図４（ａ）から図４（ｂ）に示すように変化する。この結果、位相差板８を通過した光線ａ〜ｉの偏光方向は、図４（ｃ）に示す光線ａ〜ｉと色分離面９ａからなるＰ偏光方向と略一致し、楕円偏光ならないため、コントラストの低下を防止することができる。

第１のダイクロイックプリズム９で反射した青色光は、プリズム１１と１／４波長板１２Ｂを透過し、反射型画像表示素子１３Ｂに入射する。被投射面の背景色を黒にする黒表示の場合は、反射型画像表示素子１３Ｂによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板１２Ｂ、プリズム１１を透過し、第１のダイクロイックプリズム９を反射する。

第２の位相差板として機能する１／４波長板の役割を以下に説明する。例えば、図３（ａ）に示す光線ａは、反射型画像表示素子１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを反射後、第１のダイクロイックプリズム９の色分離面に対してはｉ方向の光線となる。そのため、図４（ｃ）に示すように、光線ａの偏光方向のままではｉ方向の光線の偏光方向に対してずれが生じ、コントラストの低下を招いてしまう。

そこで、１／４波長板を２回透過することでｉに対する偏光方向に略一致するよう変換している。第１のダイクロイックプリズム９によって反射されたＰ偏光光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。被投射面の背景色を白にする白表示の場合は、反射型画像表示素子１３ＢによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板１２Ｂ、プリズム１１を透過し、第１のダイクロイックプリズム９を反射する。その後、位相差板８を透過、偏光分離素子７によって反射され、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

光変調手段は、各色成分の光（色光）を映像信号に応じて変調して反射し、赤用の反射型液晶表示素子１３Ｒ、緑用の反射型液晶表示素子１３Ｇ、青用の反射型液晶表示素子１３Ｂから構成される。各液晶表示素子は画像変調素子（液晶パネル）として機能する。１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板（１／４λ板）、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。赤用の１／４波長板１２Ｒは、第２のダイクロイックプリズム１０と赤用の反射型液晶表示素子１３Ｒとの間に配置される。緑用の１／４波長板１２Ｇは、第２のダイクロイックプリズム１０と緑用の反射型液晶表示素子１３Ｇとの間に配置される。青用の１／４波長板１２Ｂは、プリズム１１と青用の反射型液晶表示素子１３Ｂとの間に配置される。

投射レンズ１４は、不図示の被投射面に偏光分離素子７からの光を投射する投射手段（投射光学系）である。

第１のダイクロイックプリズム９を透過した緑色光は、緑帯域の光を透過し、赤帯域の光を反射する第２の色分離面を有する第２のダイクロイックプリズム（第２の色分離手段）１０を透過する。その後、１／４波長板１２Ｇを透過し、反射型画像表示素子１３Ｇに入射する。第２のダイクロイックプリズム１０の色分離面１０ａの法線は第１のダイクロイックプリズム９の色分離面９ａの法線と略平行であることが望ましい。

位相差板８による偏光方向の変換によって第１のダイクロイックプリズム９の色分離面９ａでの効果と同様の効果が得られ、コントラストの低下を防止することができる。反射型画像表示素子１３Ｇが黒表示の場合は、反射型画像表示素子１３Ｇによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板１２Ｇ、第２のダイクロイックプリズム１０を透過し、第１のダイクロイックプリズム９を透過する。第１のダイクロイックプリズム９を透過した光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。一方、反射型画像表示素子１３Ｇが白表示の場合は、反射型画像表示素子１３ＧによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板１２Ｇ、ダイクロイックプリズムＢ１０を透過し、第１のダイクロイックプリズム９を透過する。その後、位相差板８を透過し、偏光分離素子７によって反射され、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

第１のダイクロイックプリズム９を透過した赤色光は、緑帯域の光を透過し、赤帯域の光を反射する第２のダイクロイックプリズム１０によって反射される。その後、１／４波長板１２Ｒを透過し、反射型画像表示素子１３Ｒに入射する。反射型画像表示素子１３Ｒが黒表示の場合は、反射型画像表示素子１３Ｒによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板１２Ｒを透過、第２のダイクロイックプリズム１０によって反射され、第１のダイクロイックプリズム９を透過する。第１のダイクロイックプリズム９を透過した光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。一方、反射型画像表示素子１３Ｒが白表示の場合は、反射型画像表示素子１３ＲによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板１２Ｒを透過し、ダイクロイックプリズムＢ１０によって反射され、第１のダイクロイックプリズム９を透過する。その後、位相差板８を透過し、偏光分離素子７によって反射され、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

図５は、実施例２の投射型表示装置のブロック図である。実施例２は、３枚の画像表示素子ではなく、２枚の画像表示素子で交際された時分割方式の表示装置である。光源１からコンデンサーレンズ６までは第１実施例と同じ構成であるため、説明は省略する。

コンデンサーレンズ６を透過した光はカラーフィルタ２１を透過後、偏光分離素子７に入射する。カラーフィルタ２１は、図６に示す構成を有して不図示の回転手段によって回転されるため、ある時間帯はイエロー（赤帯域と緑帯域）、ある時間帯はマゼンタ（赤帯域と青帯域）の光が偏光分離素子７に入射する。偏光分離素子７と位相差板８も実施例１と同様である。

偏光分離素子７を透過したＰ偏光光は、位相差板８に入射し、赤帯域の光（第１の色光）を透過し、青と緑帯域の光（第２の色光）を反射する色分離面２２ａを有する第３のダイクロイックプリズム２２に入射する。

第３のダイクロイックプリズム２２にイエロー（赤と緑帯域）の光が入射した場合、イエローの光のうち緑帯域の光（第２の色光）は、第３のダイクロイックプリズム２２によって反射され、１／４波長板２３ＢＧを透過し、反射型画像表示素子２４ＢＧに入射する。反射型画像表示素子２４ＢＧが黒表示の場合は、反射型画像表示素子２４ＢＧによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板２３ＢＧを透過し、第３のダイクロイックプリズム２２を反射する。１／４波長板の役割は実施例１と同様である。第３のダイクロイックプリズム２２によって反射された光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子２４ＢＧが白表示の場合は、反射型画像表示素子２４ＢＧによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板２３ＢＧを透過し、第３のダイクロイックプリズム２２を反射する。その後、位相差板８を透過し、偏光分離素子７によって反射され、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

第３のダイクロイックプリズム２２にイエローの光が入射した場合、第３のダイクロイックプリズム２２を透過した赤色光（第１の色光）は、１／４波長板２３Ｒを透過し、反射型画像表示素子２４Ｒに入射する。反射型画像表示素子２４Ｒが黒表示の場合は、反射型画像表示素子２４Ｒによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板２３Ｒ、第３のダイクロイックプリズム２２を透過する。第３のダイクロイックプリズム２２を透過した光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子２４Ｒが白表示の場合は、反射型画像表示素子２４ＲによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板２３Ｒ、第３のダイクロイックプリズム２２を透過する。その後、位相差板８を透過し、偏光分離素子７によって反射され、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

第３のダイクロイックプリズム２２にマゼンタ（赤と青帯域）の光が入射した場合、マゼンタの光のうち青帯域の光（第２の色光）は、第３のダイクロイックプリズム２２によって反射され、１／４波長板２３ＢＧを透過し、反射型画像表示素子２４ＢＧに入射する。反射型画像表示素子２４ＢＧが黒表示の場合は、反射型画像表示素子２４ＢＧによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板２３ＢＧを透過し、第３のダイクロイックプリズム２２によって反射される。第３のダイクロイックプリズム２２によって反射された光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子２４ＢＧが白表示の場合は、反射型画像表示素子２４ＢＧによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板２３ＢＧを透過し、第３のダイクロイックプリズム２２を反射する。その後、位相差板８を透過し、偏光分離素子７によって反射され、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

第３のダイクロイックプリズム２２にマゼンタの光が入射した場合、第３のダイクロイックプリズム２２を透過した赤色光（第１の色光）は、１／４波長板２３Ｒを透過し、反射型画像表示素子２４Ｒに入射する。反射型画像表示素子２４Ｒが黒表示の場合は、反射型画像表示素子２４Ｒによって画像変調されずにＰ偏光光のまま反射され、１／４波長板２３Ｒ、第３のダイクロイックプリズム２２を透過する。第３のダイクロイックプリズム２２を透過した光は、位相差板８を透過すると、偏光方向が図４（ｅ）から図４（ｆ）に示すように変化し、偏光分離素子７を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子２４Ｒが白表示の場合は、反射型画像表示素子２４ＲによってＳ偏光光に画像変調されて反射され、１／４波長板２３Ｒ、第３のダイクロイックプリズム２２を透過する。その後、位相差板８を透過し、偏光分離素子７で反射し、投射レンズ１４を介して被投射面に表示される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、画像表示素子は限定されず、第２の位相差板は１／４波長板に限定されない。色分離手段は、ダイクロイックミラーなどダイクロイックプリズムに限定されない。

投射型表示装置は、液晶プロジェクタの用途に適用することができる。

７…偏光分離素子（偏光分離手段）、８…位相差板（第１の位相差板）、９…第１のダイクロイックプリズム（第１の色分離手段）、９ａ…第１の色分離面、１３Ｇ、１３Ｒ、１３Ｂ…反射型液晶表示素子（画像変調素子）、１４…投射レンズ（投射手段）

Claims (7)

1. 色光を変調して反射する画像変調素子と、
   第１の偏光光を透過し、前記第１の偏光光と直交する第２の偏光光を反射する偏光分離手段と、
   第１の色光を透過し、前記第１の色光とは波長領域が異なる第２の色光を反射する第１の色分離面を有する第１の色分離手段と、
   前記偏光分離手段と前記色分離手段の間に配置された第１の位相差板と、
   を有し、
   前記第１の位相差板の光学軸は、前記第１の色分離手段の前記第１の色分離面の法線と前記画像変調素子の入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ前記画像変調素子の前記入出射面の法線に対して傾いていることを特徴とする光学系。
2. 前記第１の色分離手段と前記画像変調素子との間に配置された第２の位相差板を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第２の位相差板は１／４波長板であることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 第３の色光を透過し、前記第３の色光とは波長領域が異なる第４の色光を反射する第２の色分離面を有する第２の色分離手段と、
   前記第１の色分離手段の前記第１の色分離面の法線と前記第２の色分離手段の前記第２の色分離面の法線は互いに平行であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記偏光分離手段は偏光分離面を有し、該偏光分離面に対して、前記第１の偏光光はＰ偏光光であり、前記第２の偏光光はＳ偏光光であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記偏光分離手段は、前記画像変調素子によって変調されて反射された前記第２の偏光光を投射手段に反射し、前記投射手段は前記第２の偏光光を被投射面に投射することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の光学系。
7. 請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の光学系を有することを特徴とする投射型表示装置。