JP2001066553A - 反射型液晶プロジェクタ用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な色分離と高いコントラストを達成する
一方で、プロジェクタを小型化できる反射型液晶プロジ
ェクタ用光学系を提供する。 【解決手段】 反射型液晶プロジェクタ用光学系は、偏
光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの後段に
配置されるダイクロイックプリズムを有する。ダイクロ
イックプリズムは、偏光ビームスプリッタで偏光された
入射光から緑に対応する波長成分を抽出する第１のダイ
クロイックフィルタと、前記第１ダイクロイックフィル
タからの光を赤に対応する波長成分と青に対応する波長
成分とに分離する第２のダイクロイックフィルタとを有
する。第１のダイクロイックフィルタの反射面の法線
は、反射型液晶プロジェクタの投射レンズの光軸に対し
２４°〜３０°の角度を成し、第２のダイクロイックフ
ィルタの反射面の法線は、投射レンズの光軸に対し４５
°の角度を成す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型液晶プロジ
ェクタに用いられる色分解及び色合成のための光学系に
関し、特に、偏光ビームスプリッタの数を低減させて
も、良好な色分解と高いコントラスト比を実現すること
ができ、かつ反射型液晶プロジェクタの小型化を図るこ
とのできるダイクロイックプリズム光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光増幅型プロジェクタがプレゼン
テーションやビデオ鑑賞に広く用いられるようになって
いる。

【０００３】プロジェクタの表示パネルとしては、透過
型パネル、反射型パネル、マイクロミラー方式パネルな
ど数種類あるが、その中でも反射型液晶表示パネルは配
線をパネルの裏面に形成することができるのでパネルの
開口率が高く、高輝度かつ高精細表示が達成できる点で
優れている。

【０００４】通常、３板方式反射型液晶プロジェクタで
は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色に対応する３
枚の液晶パネルが使用され、各液晶パネル上に直線偏光
（例えばＳ偏光）した光を照射する。直線偏光は液晶パ
ネル上の各画素で反射されるが、電圧が印加されていな
い画素に入射した光は、入射時と同じ偏光状態（振動方
向）を保ったまま反射され、帰路でＰＢＳ（偏光ビーム
スプリッタ）で反射されて取り除かれる。一方、電圧が
印加された画素に入射した光は、位相変調によって偏光
状態が変化する。この変調された偏光のうち、例えばＰ
偏光成分はＰＢＳを通過してプロジェクタの投射レンズ
に導かれ、スクリーンに投射される画像形成に寄与す
る。

【０００５】図６は、このような従来の反射型液晶プロ
ジェクタの構成例を示す分解斜視図である。

【０００６】ランプ１から出射された発散光束はリフレ
クタ２により反射され、一対のフライアイレンズを含む
フライアイインテグレータ３３で成形される。フライア
イインテグレータ３３からの光線は、コールドミラー３
４によってその可視光成分だけがダイクロイックミラー
３５に導かれる。ダイクロイックミラー３５で入射光の
うち緑に対応する波長成分だけが反射されて緑成分用の
プリＰＢＳ３６ＧおよびメインＰＢＳ３７Ｇに導かれ
る。ダイクロイックミラー３５を透過した光成分はさら
に別のダイクロイックミラー（不図示）で赤に対応する
波長成分と青に対応する波長成分に分離されて、それぞ
れの色に対応するプリＰＢＳ３６Ｒ、３６Ｂおよびメイ
ンＰＢＳ３７Ｒ、３７Ｂに導かれる。プリＰＢＳ３６お
よびメインＰＢＳ３７によって偏光された各色の成分
は、１／４波長板９Ｇ、９Ｒ、９Ｂを介して、対応する
各色の反射型液晶素子１０Ｇ、１０Ｒ、１０Ｂに導かれ
る。

【０００７】各色の反射形液晶素子１０Ｇ、１０Ｒ、１
０Ｂで反射された光のうち、電圧がかかっている画素で
反射された光のみがメインＰＢＳで選択透過され、クロ
スダイクロイックプリズム３８へ導かれ、色合成され
て、投射レンズ１１を介してスクリーン（不図示）上に
結像される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６に示す従来の反射
型液晶プロジェクタは、まず色分離を行い、分離された
各色に対して対応する偏光ビームスプリッタで偏光を行
って、所定の直線偏光を各色の液晶素子１０に導く。こ
のため、多数の偏光ビームスプリッタとダイクロイック
ミラーが必要になり、図６に示すように部品数が多くな
ってプロジェクタが大型化し、複雑な構成になる。

【０００９】また、図６の反射型液晶プロジェクタは、
各液晶素子で反射された光の帰路で、対応する偏光ビー
ムスプリッタで偏光された光の色合成を行うのに、直交
する２つのフィルタ面を有するクロスダイクロイックプ
リズム３８を使用する。このクロスダイクロイックプリ
ズムは、４つの三角柱を立方体形に組み合わせたもので
あるが、中心をはさんで対角上に延びる２つの面が同一
平面上になければならない。高精細を達成するために画
素数を１２８０×１０２４（Ｓ−ＸＧＡ）程度にまで増
大させると、クロスダイクロイックプリズムの加工精度
を、直交面の角度で９０°±１０”にまで高める必要が
ある。この精度は前記プリズムの加工限界であり、歩留
りが悪く、コスト高を引き起こす。

【００１０】そこで本発明の目的は、良好な色分解と高
いコントラストを維持する一方で、プロジェクタの小型
化を現実に達成できる反射型液晶プロジェクタ用光学系
を提供することにある。

【００１１】本発明の別の目的は、容易に高画素画像を
再生できる反射型液晶プロジェクタ用光学系を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、(i) 偏光ビームスプリッタと、(ii)偏光
ビームスプリッタの後段に配置され、偏光ビームスプリ
ッタで偏光された入射光から緑に対応する波長成分を抽
出する第１のダイクロイックフィルタと、前記第１のダ
イクロイックフィルタからの光を赤に対応する波長成分
と青に対応する波長成分とに分離する第２のダイクロイ
ックフィルタとを有するダイクロイックプリズム、とを
備える反射型液晶プロジェクタ用光学系を提供する。

【００１３】この構成によると、すでに偏光された光か
ら、中間波長に対応する緑成分がまず抽出され、次いで
波長帯域の比較的離れた赤成分と青成分とが分離され
る。これにより、高画素画像を再生する場合にも、従来
のクロスダイクロイックプリズムのような厳格な組立て
精度を必要とせずに、高解像度を達成することができ
る。結果として、良好な色分離と高いコントラストを維
持しつつ、反射型液晶プロジェクタの小型化を現実に達
成することができる。

【００１４】好ましくは、第１のダイクロイックフィル
タは第１反射面を含み、第１反射面の法線は、反射型液
晶プロジェクタの投射レンズの光軸に対し２４°〜３０
°の角度をなす。第１反射面への入射角度を３０°より
小さく設定したことにより、緑波長帯域において、Ｐ成
分、Ｓ成分の双方の透過特性がそろった状態でダイクロ
イック特性を急峻にすることができる。また、前記角度
を２４°より大きく設定したことにより、プリズムサイ
ズが大きくなるのを防止することができる。

【００１５】本発明の他の特徴として、反射型液晶プロ
ジェクタの投射レンズの光軸に対して法線が２４°〜３
０°の角度を成す第１反射面と、前記光軸に対して４５
°の角度を成す第２反射面とを備え、第１反射面の法線
と第２反射面の法線とが同一平面内にある反射型液晶プ
ロジェクタ用光学系を提供する。

【００１６】第２反射面の角度を４５°にしたことによ
り、プリズムのサイズを最も小さくすることができる。

【００１７】上述の第２のダイクロイックフィルタまた
は第２反射面の入射側と透過側の硝子の屈折率は１．６
５よりも小さい。屈折率を１．６５よりも小さくするこ
とによって、色分離および色合成を目的とするダイクロ
イックプリズムに偏光ビームスプリッタとしての特性が
現れるのを防止して、効率良く色分離および合成を行う
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００１９】図１は、本発明の一実施形態に係る反射型
液晶プロジェクタの構成を示す概略斜視図、図２は図１
の反射型液晶プロジェクタの平面図、図３は、図１の反
射型液晶プロジェクタで使用される偏光ビームスプリッ
タ７およびダイクロイッククプリズム８の側面図であ
る。

【００２０】図１および２において、ランプ１から照射
された光線はリフレクタ２によって反射され、フライア
イインテグレータ３の第１のフライアイレンズ３ａに導
かれる。第１フライアイレンズ３ａによって形成された
多数の光源像は、ミラー４を介して第２のフライアイレ
ンズ３ｂ上の対応する場所に結像される。フライアイイ
ンテグレータ３によって成形された光線Ｌは、ミラー
４、５、およびコリメートレンズ６を介して偏光ビーム
スプリッタ７に入射する。

【００２１】偏光ビームスプリッタ７は、たとえば、ｙ
ｚ平面内で振動する成分（Ｐ成分）Ｌｐを透過させ、ｙ
ｚ平面に垂直な平面内で振動する成分（Ｓ成分）Ｌｓを
反射する。したがって、偏光ビームスプリッタ７によっ
て反射されたＳ成分Ｌｓがダイクロイックプリズム８に
導かれる。Ｓ成分Ｌｓはダイクロイックプリズムによ
り、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）の各色に対応する波
長成分に分離される。

【００２２】より詳細には、図３に示すように、前記Ｓ
成分Ｌｓは、ダイクロイックプリズム８の第１ダイクロ
イックフィルタ２１により、その緑色波長成分Ｌ_SGが反
射選択される。第１ダイクロイックフィルタ２１を透過
した光成分は、ダイクロイックプリズム８の第２ダイク
ロイックフィルタ２３により、赤色波長成分Ｌ_SRと青色
波長成分Ｌ_SBとに分離される。

【００２３】前記第１および第２のダイクロイックフィ
ルタ２１、２３で分離選択された各色の波長成分Ｌ_SG、
Ｌ_SR、Ｌ_SBは、それぞれダイクロイックプリズム８の周
囲の適宜の箇所に設けた１／４波長板９Ｇ、９Ｒ、９Ｂ
を介して、反射型液晶素子１０Ｇ、１０Ｒ、１０Ｂに入
射する。各反射型液晶素子１０Ｇ、１０Ｒ、１０Ｂで反
射、変調された各色の波長成分は、往路と同じ経路をた
どり、前記第１および第２のダイクロイックフィルタ２
１、２３により合成され、偏光ビームスプリッタ７を透
過したＰ成分が投射レンズ１１によりスクリーン(図示
せず）上に投射される。

【００２４】次に、図３を参照して、ダイクロイックプ
リズム８をより詳細に説明する。

【００２５】図３に示すように、ダイクロイックプリズ
ム８は、第１プリズム８ａと第２プリズム８ｂとを有す
る。第２プリズム８ｂは２つの同質の硝子体８ｂ１と８
ｂ２を貼り合わせたものである。

【００２６】第１プリズム８ａと第２プリズム８ｂとの
間に、第１ダイクロイックフィルタ２１が設けられ、第
２プリズム８ｂを構成する硝子８ｂ１と８ｂ２との間に
第２ダイクロイックフィルタ２３が設けられる。

【００２７】第１のダイクロイックフィルタ２１は、第
１プリズム８ａの後面である第１反射面８ｃと、この反
射面８ｃに施した第１ダイクロイックコーティング８ｅ
とを含む。前記第１ダイクロイックコーティング８ｅ
は、緑色波長成分を反射し、それ以外の波長の光成分を
透過させるものである。

【００２８】第１反射面８ｃは、その法線が投射レンズ
１１の光軸に対して２４°〜３０°の角度を成すように
設定するのが好ましい（２４°≦θ１≦３０°）。

【００２９】第１反射面の法線角度を３０°以下に設定
することにより、中間の緑帯域（５００ｎｍ〜５７０ｎ
ｍ）でのＰ成分とＳ成分の透過特性が比較的そろった状
態で、ダイクロイック（色分離）特性を急峻に出すこと
ができる。ＰＳ成分の透過特性が揃うとは、波長の関数
としての透過率が、Ｐ成分とＳ成分とで非常に近いプロ
ファイルで変化することを言い、ダイクロイック特性が
急峻になるとは、ある波長を境に透過率が急激に変化す
ることを言う。一般に反射面への入射角が大きくなるに
つれて、中間の緑帯域でのＰＳ成分の反射特性が乖離
し、特にＰ成分の損失が顕著になるが、本実施例では、
第１反射面８ｃへの入射角を３０°以下にしたことによ
り、ＰＳ成分の透過特性がそろった状態を維持すること
ができる。すなわち、入射角を３０以下にすることによ
って、Ｐ成分、Ｓ成分ともに、青および赤の波長帯域で
はほぼ１００％の透過率で透過し、中間の緑波長帯域で
は、ほぼ１００％反射することができる。

【００３０】また、第１反射面８ｃの法線角度を２４°
以上にしたことにより、第１プリズム８ａのサイズを比
較的小さく維持することができる。

【００３１】第２ダイクロイックフィルタ２３は、第２
プリズム８ｂを構成する同じ素材の２つの硝子体８ｂ
１、８ｂ２の接合面である第２反射面８ｄと、この第２
反射面８ｄに施された第２ダイクロイックコーティング
８ｆを有する。第２の反射面の法線は、反射型液晶プロ
ジェクタの投射レンズ１１の光軸に対して４５°の角度
をなす（θ２＝４５°）。第１ダイクロイックフィルタ
２１で、ＰＳ成分の透過特性が乖離しやすい中間帯域の
緑成分をすでに取り去っているので、赤波長成分と青波
長成分とを分離する第２ダイクロイックフィルタ２３の
反射面８ｄへの入射角が多少大きくなっても、ＰＳ透過
特性にはほとんど影響しない。そこで、第２反射面８ｄ
の角度を、第２プリズム８ｂのサイズを最小にすること
のできる４５°に設定することによって、ダイクロイッ
クプリズム８全体のサイズを最小にすることとした。

【００３２】第２プリズム８ｂを構成する硝子体８ｂ
１、８ｂ２の屈折率は１．６５以下であるのが好まし
い。これにより、確実にＰ成分とＳ成分との透過特性の
ずれがほとんどない状態で、赤色波長成分と青色波長成
分の色分離および合成を行うことができる。

【００３３】図４は、第２プリズム８ｂの硝子８ｂ１お
よび８ｂ２の屈折率を１．６１に設定した場合の、入射
角が４１°、４５°、４９°のときのＰＳ透過特性曲線
を示すグラフである。６００ｎｍ以上の赤色帯域では、
いずれの入射角においても、Ｐ成分、Ｓ成分ともにほぼ
１００％の透過率で透過される。また、４４０ｎｍ〜４
７０ｎｍの青色帯域では、Ｐ成分、Ｓ成分ともにほぼ１
００％近い割合で反射される。

【００３４】このように、第２プリズム８ｂの硝子８ｂ
１、８ｂ２の屈折率を１．６５以下にすることによっ
て、多少入射角が大きくなっても、偏光状態を維持した
まま、青成分と赤成分の色分離を正確に行うことができ
る。

【００３５】これに対し、第２プリズム８ｂの硝子体８
ｂ１、８ｂ２の屈折率を１．６５より大きくした場合、
入射角の大きな入射光線に対し、ダイクロイックプリズ
ム８はダイクロイック（色分離）特性よりも、むしろ偏
光ビームスプリッタとしての特性を示すようになる。

【００３６】図５は、屈折率が１．７６９の硝子を使用
したときの、入射角が４１°の場合のＰＳ透過特性曲線
のグラフである。グラフから明らかなように、高屈折率
の硝子では、４００ｎｍ〜６５０ｎｍにわたる広い帯域
で、Ｐ成分、Ｓ成分の透過率が大きく異なり、偏光ビー
ムスプリッタとしての特性が顕著になる。ダイクロイッ
クプリズムで偏光ビームスプリッタとしての特性が出て
しまうと、反射型液晶素子で反射された光のＰ成分ある
いはＳ成分がプリズム内で損失されてしまい、正しい画
像情報を伝達することができなくなる。

【００３７】そこで、本発明では、第２プリズム８ｂの
硝子８ｂ１、８ｂ２の屈折率を１．６５以下に設定する
ことによって、プリズムに偏光ビームスプリッタとして
の特性が現れるのを効果的に防止した。これにより、た
とえ収束性の入射光線の入射角に±４°の差があったと
しても、偏光のＰ成分とＳ成分を損失することなく、色
分離および合成を効率的に行うことが可能になる。

【００３８】なお、上述したように、第１のプリズム８
ａの硝子の屈折率は１．６５以下に限定されない。入射
角が３０°以下と比較的小さいので、屈折率を１．７５
程度に上げても、偏光状態の損失はほとんどないからで
ある。

【００３９】第１プリズム８ａの硝子と、第２プリズム
８ｂの硝子８ｂ１、８ｂ２との屈折率を同じにした場合
（ともに１．６５以下）、この硝子材の光弾性定数を
０．３以下にして、プリズム全体として平均した偏光維
持状態が達成できるようにするのが好ましい。

【００４０】また、第１の硝子部材の屈折率を１．６５
以上に設定し、第２の硝子部材の屈折率を１．６５以下
に設定した場合は、第１硝子部材の光弾性定数を０．１
以下とし、第２硝子部材の光弾性定数を１．０以下とす
るのが好ましい。第１硝子部材で屈折率を大きくした
分、光弾性定数を小さくすることが可能になり、第２硝
子部材の光弾性定数の設定マージンに余裕ができる。こ
れにより、第２硝子部材の光弾性定数を１．０以下とい
う比較的広い範囲に設定することができ、プリズムの設
計自由度が向上する。

【００４１】以上、本発明を良好な実施形態に基づいて
説明したが、本発明は上述した実施例に限定されない。
たとえば、実施例ではプリズムの第２フィルタ面のダイ
クロイックコーティングは赤波長成分を透過させ、青波
長成分を反射するが、中間波長帯域である緑成分を最初
に抽出する限り、第２反射面のコーティングは赤波長成
分を反射させ、青波長成分を透過させるものであって
も、同様の効果を達成することができる。

【００４２】また、第１反射面８ｃおよび第２反射面８
ｄの傾斜角は厳密に上述した値あるいは範囲である必要
はなく、本発明の目的を実用的に達成できる限り、ほぼ
その値あるいは範囲を有すればよい。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の反射型液晶
プロジェクタ用光学系は、偏光ビームスプリッタとダイ
クロイックプリズムをひとつずつ用いるだけなので、反
射型液晶プロジェクタの構成を簡単にし、小型化するこ
とができる。

【００４４】また、本発明のプリズムはクロスフィルタ
面を有さず、第１のフィルタ面をその法線が投射レンズ
の光軸に対して一定範囲の角度を成すように傾斜させ、
第２フィルタ面を４５°の角度に設定したので、高い組
立て精度を必要とせずに高画素画像を再生することがで
きる。

【００４５】入射角の小さい第１のダイクロイックフィ
ルタで中間帯域の緑成分を先に分離し、その後４５°の
第２ダイクロイックフィルタで、波長帯域の離れた青成
分と赤成分を分離するので、ひとつのプリズムで効率良
く３色を分離することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る反射型液晶プロジェク
タの構成を示す概略斜視図である。

【図２】図１に示した反射型液晶プロジェクタの平面図
である。

【図３】図１に示した本発明の偏光ビームスプリッタお
よびダイクロイックプリズムの側面図である。

【図４】屈折率が１．６１の硝子を用いた場合の４１
°、４５°、４９°の入射角におけるＰ成分およびＳ成
分の透過特性曲線を示すグラフである。

【図５】屈折率が１．７６９の硝子上の青色反射膜に４
１°の角度で入射する光のＰ成分とＳ成分の透過特性曲
線を示すグラフである。

【図６】従来の反射型液晶プロジェクトの構成を示す概
略斜視図である。

【符号の説明】

１ ランプ ２ リフレクタ ３、３３ フライアイインテグレータ ４、５ ミラー ６ コリメートレンズ ７ 偏光ピームスプリッタ ８ ダイクロイックプリズム ８ａ 第１プリズム ８ｂ 第２プリズム ８ｃ 第１反射面 ８ｄ 第２反射面 ８ｅ 第１のダイクロイックコーティング ８ｆ 第２のダイクロイックコーティング ９Ｇ、９Ｒ、９Ｂ １／４波長板 １０Ｇ、１０Ｒ、１０Ｂ 液晶パネル １１ 投射レンズ ２１ 第１のダイクロイックフィルタ ２３ 第２のダイクロイックフィルタ ３４ コールドミラー（従来例） ３５ ダイクロイックミラー（従来例） ３６Ｇ、３６Ｒ、３６Ｂ プリＰＢＳ（従来例） ３７Ｇ、３７Ｒ、３７Ｂ メインＰＢＳ（従来例） ３８ クロスダイクロイックプリズム（従来例）

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Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光ビームスプリッタと、 前記偏光ビームスプリッタの後段に配置され、偏光ビー
   ムスプリッタで偏光された入射光から、緑に対応する波
   長成分を抽出する第１ダイクロイックフィルタと、前記
   第１ダイクロイックフィルタからの光を、赤に対応する
   波長成分と青に対応する波長成分とに分離する第２ダイ
   クロイックフィルタとを有するダイクロイックプリズム
   と、 を備える反射型液晶プロジェクタ用光学系。
2. 【請求項２】 前記第１ダイクロイックフィルタは第１
   反射面を含み、前記第１反射面の法線は、前記反射型液
   晶プロジェクタの投射レンズの光軸に対し２４°〜３０
   °の角度をなすことを特徴とする請求項１に記載の反射
   型液晶プロジェクタ用光学系。
3. 【請求項３】 反射型液晶プロジェクタの投射レンズの
   光軸に対して、法線が２４°〜３０°の角度を成す第１
   反射面と、 前記光軸に対して法線が４５°の角度を成す第２反射面
   と、を備え、前記第１反射面の法線と前記第２反射面の
   法線とは同一平面内にあることを特徴とする反射型液晶
   プロジェクタ用光学系。
4. 【請求項４】 前記第２ダイクロイックフィルタまたは
   第２反射面の入射側と透過側の光学媒体の屈折率が１．
   ６５よりも小さいことを特徴とする請求項２または３に
   記載の反射型液晶プロジェクタ用光学系。