JP2004029818A - Projection display device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a projection display device which uses cross dichroic prisms as means for synthesizing color light, prevents the display performance thereof from being deteriorated by the structural problems of the cross dichroic prisms, projects, and displays high-grade videos. <P>SOLUTION: The display device has: a first optical element 210 for condensing the luminous flux emitted from a light source 100 and converting the luminous flux to a plurality of the intermediate luminous fluxes spatially separated from each other; a second optical element 220 arranged near the position where the intermediate luminous fluxes converge; dichroic mirrors 401 and 402 for separating the luminous fluxes emitted from the second optical element 220 to the luminous fluxes of three colors; liquid crystal panels 411, 412 and 413 for modulating the respective separated luminous fluxes; the cross dichroic prisms 450 for synthesizing a plurality of the modulated luminous fluxes; and a projection lens 460 for projecting the synthesized luminous flux. Light scattering elements are arranged on the optical paths between the light source and the liquid crystal panels. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶パネルなどの変調手段により形成された表示画像をスクリーン上に投写表示する投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
変調手段として３枚の液晶パネルを用いた投写型表示装置（３板式の投写型表示装置）の代表的な構成例を図９（平面図）に示す。３板式の投写型表示装置９００においては、光源部１００からの光を波長選択性のある２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２（色光分離手段）により赤光、緑光、青光の３原色の光束に分離した後、それぞれの色光に対応した液晶パネル４１１、４１２、４１３（変調手段）に照射し、それぞれの液晶パネルを透過してきた光をクロスダイクロイックプリズム４５０（色光合成手段）により合成して、投写レンズ４６０（投写光学系）によりスクリーン４７０上に投写表示する構成がとられている。
【０００３】
ここで、色光合成手段として用いるクロスダイクロイックプリズム４５０は、ダイクロイック膜が形成されたプリズムをＸ字状に配置して構成されている。３板式の投写型表示装置の色光合成手段としては、上記のクロスダイクロイックプリズムに代えて、２枚のダイクロイックミラーを平行に配置状態で用いた構成によっても実現できるが、クロスダイクロイックプリズムを用いた構成では、２枚のダイクロイックミラーを用いた構成に比べて、液晶パネルと投写レンズとの間の距離を短くできるため、大口径の投写レンズを用いなくとも、明るい投写映像が得られる投写型表示装置を実現しやすいという特徴がある。そのため、投写型表示装置における色光合成手段としては、クロスダイクロイックプリズムを用いる場合が多い。
【０００４】
ところで、小型の液晶パネルを用いた投写型表示装置において、より明るい投写映像を得るためには、アーク長の短いランプを光源に用いて、小型の液晶パネルを効率よく照明することが重要となる。なぜなら、ランプのアーク長が短くなる程、集光性を高めることができるためである。従って、近年、アーク長が極めて短いランプを搭載した投写型表示装置が開発されつつある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズムを用いた投写型表示装置では、明るい投写映像を得やすいという優れた特徴がある反面、クロスダイクロイックプリズムに起因する問題点が存在する。
【０００６】
一般的なクロスダイクロイックプリズムの平面構造を模式的に図８に示す。図８に示すように、クロスダイクロイックプリズム４５０は波長選択性のあるダイクロイック膜４５２が形成されたプリズム４５１をＸ字状に配置し、それら４個のプリズム４５１をプリズムと屈折率がほぼ等しい光学接着剤４５３で一体化することにより形成されている。この時、光学接着剤の厚みは約数１０μｍあるため、クロスダイクロイックプリズムの中央部、即ちダイクロイック膜がＸ字状に交差する部分４５４では、ダイクロイック膜が繋がらない不連続な状態となる。この結果、ダイクロイック膜により反射され本来投写レンズに向かうはずの光がこの部分（ダイクロイック膜がＸ字状に交差する部分４５４）に入射した場合には、ダイクロイック膜が存在しないため投写レンズの方向には反射されないことになる（但し、緑色光はダイクロイック膜で反射されないため投写レンズに入射する）。また、４個のプリズムがＸ字状に密着するそれぞれのプリズムの稜線部分は、プリズムの機械的な加工精度上の限界から、完全な直角形状とはなっておらず、平滑性の悪い表面状態を有する極幅の狭い角面４５５となっている（図８では、この部分を誇張して描いてある）。この結果、この部分（極幅の狭い角面４５５）に入射した光は角面４５５の部分で散乱され、やはり投写レンズの方向には向かわないこととなる。即ち、クロスダイクロイックプリズムの中央部には一方向（この一方向は、投写画面の長手方向を横方向とした場合、横方向とは直角に交差する縦方向に相当するため、以下では縦方向と記す。）に細長く延びる光学的に不均質な領域４５６（図８では紙面に対して垂直な方向に存在する）が存在し、この領域は局部的に光が通り難い領域であるため、この光学的に不均質な領域４５６を通過する光は、これ以外の領域を通過する光に比べて、その光量が減少することになる。
【０００７】
従って、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置では、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により、投写画面の中央部に暗い影（局部的に明るさが低下した領域で、画面中央部で縦方向に生じる）が生じ、視覚的に非常に目障りなものとなり、投写映像の表示品位を低下させる大きな要因の一つとなっていた。この暗い影の程度（暗い影の部分の明るさがその周辺の明るさよりも減少する度合い）は、光源に用いるランプのアーク長と強い相関関係がある。その理由は、アーク長が短くなる程、光源から出射される光の平行性と集光性が高まり、その結果、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域を通過する光束の割合が増大するためである。従って、アーク長の長いランプを光源に用いた場合には、暗い影の存在はそれほど目立たず大きな問題とはならないが、近年のように、より明るい投写映像を得るためにアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合には、この暗い影の存在が非常に目立ち、投写映像の表示品位を低下させるという重大な問題を引き起こしていた。
【０００８】
そこで、本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、変調手段により変調された複数の光束を１つに合成するための、多層膜をＸ字状に交差させて構成した色光合成手段を用いた投写型表示装置において、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影を目立たなくし、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる投写型表示装置を実現することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、
１）本発明の第１の投写型表示装置は、
光源と、
前記光源から出射される光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置の付近に配置された第２の光学要素と、
前記第２の光学要素から出射された光束を３色の光束に分離する色光分離手段と、
前記色光分離手段により分離されたそれぞれの前記光束を変調する３つの変調手段と、
前記それぞれの変調手段により変調された複数の光束を合成する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光束を投写する投写手段とを有し、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する偏光光束分離手段と、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃える偏光方向変換手段とを有する偏光発生装置と、
前記偏光発生装置の出射面の側に配置され、それぞれの中間光束を重畳結合させる重畳結合手段とを有し、
前記光源と前記変調手段の間の光路上に光散乱素子を配置したことを特徴とする。
【００１０】
上記の構成を採用することにより、先に説明した問題点を解決することができる。即ち、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置において、あるいは同時にアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合でも、光散乱素子を光源と変調手段との間の光路上に配置することにより、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影の発生を防止し、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる効果がある。
【００１１】
クロスダイクロイックプリズムに入射した光束を、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な（局部的に光が通り難い）領域を避けながら、クロスダイクロイックプリズムから出射させると共に、その光束を投写レンズの入射瞳内に導くことができれば、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影の発生を防止することができる。そのためには、クロスダイクロイックプリズムに入射する光束に、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を有する角度分布を持たせることが必要であり、それは光散乱素子を用いることにより実現することができる。
【００１２】
ここで、上記の構成に用いる光散乱素子としては、光散乱現象を発現する一般的な光散乱板或いは光拡散板を用いることができる。図７を用いて、光散乱素子における光散乱現象について説明する。光散乱素子は、その表面或いは内部に屈折率変化を伴った微小且つ不規則な構造体を有するもので、光散乱素子１０に入射した光２０は、そのような構造体により散乱され、部分的にその進行方向を変え、出射方向にある広がり（光散乱角Ｔ２１）をもって光散乱素子１０から出射される（進行方向に沿って出射される光は、一般に前方散乱光と呼ばれる）。従って、光散乱素子１０から出射された光束は、その出射方向にある角度分布２２を有することとなり、この角度分布２２は、光散乱素子に形成された構造体により自在に制御することが可能である。尚、一般的には、光散乱素子１０から後方（光の入射側）に戻る光（後方散乱光２３）も存在するが、光散乱素子に形成された構造体の大きさや形状及びその分布状態を制御することにより、この種の光をほとんど無くすことが可能である。従って、光吸収を伴わない材料で光散乱素子を形成すれば、光散乱素子に入射する光のほとんど全てを、特定の角度分布を有する光に変換して、出射することが可能である。
【００１３】
従って、上記の構成によれば、光散乱素子の光散乱現象を利用して、クロスダイクロイックプリズムに入射する光束を、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換し、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域４５６に光束が集中することを避けながら、それらの光束を投写レンズの入射瞳内に導いているため、投写画面の中央部に暗い影は殆ど発生せず、高品位の映像を投写表示することができる。この時、光散乱素子を出射する光束の光散乱角Ｔを適当に設定することにより、光散乱素子を出射した光束のすべてを投写レンズの入射瞳内に導くように構成することができる。その結果、光散乱素子を用いることによる光損失をほとんど生じることなく、暗い影の発生のみを効果的に防止することができる。特に、平行性の高い光束を出射するアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合には、光束の集光性が高いためクロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域に光束が集中する傾向が大きいが、その様な場合にも、光源と変調手段の間の光路上に光散乱素子を配置した上記の構成を採用することにより、クロスダイクロイックプリズムに入射する光束を分散させ、暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の映像を投写表示することができる。
【００１４】
尚、光散乱素子は、光源と変調手段との間の光路上であればどの位置に配置しても良いが、光散乱素子と投写レンズとの間の距離に応じて、光散乱素子の光散乱角Ｔを調整し、変調手段を通過した光束がすべて投写レンズの入射瞳に入射するように、光散乱素子を設定する必要がある。
【００１５】
特に、上記の構成の場合には、光散乱素子を配置しない場合に複数箇所に生じる暗い影の発生をほぼ完全に防止できるため、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる効果がある。
【００１６】
尚、上記の構成を採用した投写型表示装置では、変調手段を照明する光束がほぼ一種類の偏光光束となるため、光の利用効率が高く、明るく、明るさムラや色ムラのない高品位の映像を投写表示できる優れた特徴がある。
【００１７】
２）前記第１の投写型表示装置において、
前記３つの変調手段毎に、前記変調手段の光束が入射する側の位置に光散乱素子をそれぞれ配置したことを特徴とする。
【００１８】
前項１）で述べたように、光散乱素子は光源と変調手段の間の光路上であればどの位置に配置してもよいが、特に上記の構成のように、３つの光散乱素子を、それぞれの変調手段毎に、変調手段の光束が入射する側の位置に配置した場合には、前項１）の場合に比べて、光散乱素子と投写レンズとの間の距離が短くなるため、光散乱素子の光散乱角Ｔを大きく設定でき、クロスダイクロイックプリズムの中央部に存在する光学的に不均質な領域に光束が集中する状態をより効果的に回避できる。従って、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生をより効果的に防止することができる。
【００１９】
また、光散乱素子における光散乱特性は、光散乱素子に入射する光の波長により変化する場合が多いが、そのような場合には、それぞれの変調手段に入射する光束の波長に合わせてそれぞれの光散乱素子を最適化することができるため、暗い影の発生をいっそう効果的に防止することができる。
【００２０】
３）前記第１の投写型表示装置において、
光散乱素子は１次元方向に光を散乱する１次元型の光散乱素子であることを特徴とする。
【００２１】
暗い影の発生原因となる光学的に不均質な領域は、クロスダイクロイックプリズムの中央部において一方向（一般的には縦方向）に細長く延びた領域として存在するため、光散乱素子により入射する光束を散乱する方向は、光学的に不均質な領域が存在する方向とは直角に交差する一方向（クロスダイクロイックプリズム中に存在する光学的に不均質な領域の存在方向が縦方向とすれば、光散乱素子により光束を散乱する方向は横方向となる）に設定すればよい。従って、用いる光散乱素子としては、光の散乱方向が１次元方向である１次元型が最適である。
【００２２】
４）前記第１の投写型表示装置において、
光散乱素子はホログラフィック型の光散乱素子であることを特徴とする。
【００２３】
上記の光散乱素子はホログラフィー技術を用いて作製される素子であり、この技術を用いて光散乱素子を作製する場合には、光散乱角Ｔの大きさと散乱方向を自在に制御することが可能となる。特に、ホログラフィック型の光散乱素子では、後方散乱光をほとんど無くし、前方散乱光を非常に多くすることができるという優れた特徴を有する。従って、この形式の光散乱素子を用いた場合には、光散乱素子における光損失をほとんど生じることなく、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生をより効果的に防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。尚、以下の実施例においては、特にことわりのない限り、互いに直交する３つの方向をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とし、便宜上、Ｘ方向を横方向、Ｙ方向を縦方向と呼び、液晶パネルの長手方向を横方向とする。
【００２５】
（実施例１）
図１は、実施例１の投写型表示装置の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置６００は、変調手段として透過型の液晶パネルを使用したものであり、光源部１００、１つの光散乱素子４８０、色光分離手段である２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２、３原色の光束のそれぞれに対応させて配置された３つの液晶パネル４１１、４１２、４１３、波長選択性のある多層膜をＸ字状に交差させて構成した色光合成手段であるクロスダイクロイックプリズム４５０、及び合成された光束をスクリーン４７０上に拡大投写する投写光学系である投写レンズ４６０とから大略構成されている。
【００２６】
光源部１００は、光源ランプ１１０と放物面リフレクター１２０から大略構成されており、光源ランプ１１０から放射された光束は、放物面リフレクター１２０により一方向に反射されて、略平行な光束となって出射される。ここで、放物面リフレクターに代えて、楕円面リフレクター、球面リフレクターなども用いることができる。
【００２７】
光源部１００の出射側には、光の散乱方向が１次元方向であり、また、ホログラフィー技術を用いて作製された１次元型のホログラフィック型光散乱素子４８０が設置されている。光散乱素子に入射した光は、光散乱現象によりある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換され、光散乱素子から出射される。尚、暗い影の発生原因となる光学的に不均質な領域は、クロスダイクロイックプリズムの中央部において縦方向に細長く延びた領域として存在するため、光散乱素子により入射する光束を散乱する方向は、光学的に不均質な領域が存在する方向とは直角に交差する横方向とすれば、最も効果的である。従って、光散乱素子４８０としては、光の散乱方向が１次元方向である１次元型の光散乱素子を用いている。
【００２８】
光散乱素子４８０を出射した光束は、色光分離手段により、波長に応じて３つの光束に分離され、それぞれ対応する液晶パネルに達し、それぞれの液晶パネルを照明する。即ち、まず、青色光緑色光反射ダイクロイックミラー４０１において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー４０３で反射し、赤色光用液晶パネル４１１に達する。一方、青色光および緑色光のうち、緑色光は、緑色光反射ダイクロイックミラー４０２で反射し、緑色光用液晶パネル４１２に達する。更に、緑色光反射ダイクロイックミラー４０２を透過した青色光は２枚の反射ミラー４３５、４３６を経て、青色光用液晶パネル４１３に達する。
【００２９】
ここで、赤色光用液晶パネル４１１、緑色光用液晶パネル４１２、青色光用液晶パネル４１３は、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した表示情報を含ませた後に、変調した色光をクロスダイクロイックプリズム４５０へ入射し、クロスダイクロイックプリズム４５０においてそれぞれの変調光束は一つの光束に合成される。ここで使用するクロスダイクロイックプリズム４５０は、先に図８に示したように、その内部に赤色光反射の誘電体多層膜と青色光反射の誘電体多層膜とをＸ字状に配置したものであり、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題から、その内部に光学的に不均質な領域を有するものである。
【００３０】
クロスダイクロイックプリズム４５０により合成された光束は、投写レンズ４６０を経てスクリーン４７０上に映像を形成する。
【００３１】
以上のように構成した投写型表示装置６００では、光源部１００と色光分離手段である２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２との間に設置された光散乱素子４８０により、それぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明する光は、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束となっている。それぞれの液晶パネル上に形成された光学像は、クロスダイクロイックプリズム４５０内で合成されスクリーン４７０上にカラーの光学像（映像）を形成するが、この時、クロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する光束も、やはり、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束である。従って、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中しないため、局部的な光損失をほとんど生じることなく、クロスダイクロイックプリズムを通過し、スクリーン上に光学像を形成することができ、投写画面の中央部に視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）を生じることがない。
【００３２】
また、光散乱素子の設計に際しては、光散乱素子を出射する光束の出射角度を適当に設定し、光散乱素子を出射した光束のすべてを投写レンズの入射瞳内に導くように構成しているため、光散乱素子の設置による明るさの低下はほとんど生じない。
【００３３】
従って、本例の投写型表示装置においては、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００３４】
（実施例２）
上記の実施例１では、１つの光散乱素子を光源部と色光分離手段との間に配置した構成であったが、これに代えて、３つの光散乱素子を、それぞれの変調手段毎に、変調手段の光束が入射する側の位置に配置した構成としてもよい。
【００３５】
３つの光散乱素子を備えた投写型表示装置７００の構成を実施例２として説明する。図２は、実施例２の投写型表示装置７００の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。尚、この投写型表示装置７００、及び以下に説明する各実施例では、基本的な構成が実施例１に係わる投写型表示装置６００と同じであるため、同じ機能を有する部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
図２から判るように、本例の投写型表示装置７００では、変調手段である液晶パネル毎に、それぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３において光源部１００からの照明光が入射する側の位置に、それぞれ光散乱素子４９１、４９２、４９３が設置されている。本例で使用した光散乱素子は、実施例１の場合と同じ１次元型のホログラフィック型光散乱素子である。さらに、それぞれの光散乱素子は、それぞれの光散乱素子に入射する光の波長に合わせて光散乱素子は最適化されている。即ち、赤色光用液晶パネル４１１の光源部側には赤色光用に最適化された赤色光用光散乱素子４９１が、緑色光用液晶パネル４１２の光源部側には緑色光用に最適化された緑色光用光散乱素子４９２が、青色光用液晶パネル４１３の光源部側には青色光用に最適化された青色光用光散乱素子４９３がそれぞれ配置されている。
【００３７】
以上のように構成した投写型表示装置７００では、光源部１００からの照明光は、光散乱素子による光の散乱現象により、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換される。これらの光でそれぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明するため、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中せず、局部的な光損失をほとんど生じることなく、クロスダイクロイックプリズムを通過し、スクリーン上に光学像を形成することができ、投写画面の中央部に視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）を生じることがない。
【００３８】
また、本例の投写型表示装置７００では、それぞれの液晶パネル毎に特性の異なる光散乱素子を配置している。そのため、光散乱素子と投写レンズとの間の距離が短くなり、光散乱素子による光束の光散乱角Ｔを大きく設定でき、また、光散乱素子に入射する光束の波長に合わせて光散乱素子の最適化を行えるため、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生を効果的に防止することができる。
【００３９】
従って、本例においても、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００４０】
（実施例３）
次に、偏光照明系を備えた投写型表示装置に光散乱素子を導入した実施例を示す。
【００４１】
図３は、実施例３の投写型表示装置８００の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置８００の基本的な構成は、先の実施例２の投写型表示装置７００と同じであるが、明るさムラが少なく、ほぼ一種類の偏光状態を有する照明光を効率的に発生する均一偏光照明光学装置２００と、その照明光を効率的に伝達するリレー光学装置４３０が搭載されている点が、投写型表示装置７００とは異なる特徴である。
【００４２】
そこで、まず、均一偏光照明光学装置２００について説明する。
【００４３】
均一偏光照明光学装置２００の光学的構成は図４に示すように、主に光源部１００、第１の光学要素２１０、及び第２の光学要素２２０から構成されている。
【００４４】
光源部１００は、実施例１の光源部と同じものであり、偏光方向がランダムな偏光光束（以下、ランダムな偏光光束と略す。）をほぼ一方向に略平行な状態で出射する。ここで、光源部１００の光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して一定の距離ＤだけＸ方向に平行にシフトした状態となるように、光源部１００は配置されている。
【００４５】
第１の光学要素２１０は、その外観を図５に示すように、ＸＹ平面内において矩形状の外形形状を有する複数の光束分割レンズ２１１がマトリックス状に配列して構成されている。第１の光学要素２１０に入射した光は、光束分割レンズ２１１により複数の中間光束２１２に分割され、同時に光束分割レンズの集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内（図４ではＸＹ平面）の中間光束が収束する位置に光束分割レンズの数と同数の集光像２１３を形成する。尚、光束分割レンズのＸＹ平面上における外形形状は、照明領域２９０（本例の場合は液晶パネル４１１、４１２、４１３）の形状と相似形をなすように設定される。本例では、ＸＹ平面上でＸ方向に長い横長の液晶パネルを想定しているため、光束分割レンズ２１１のＸＹ平面上における外形形状も横長である。さらに、第１の光学要素２１０を構成する光束分割レンズ２１１の配列様式については図５に示すような直交マトリックス状に限定されるわけではなく、例えば、デルタ配置のように、Ｘ方向に列ぶ光束分割レンズのレンズ列が、Ｙ方向においてはそれそれの行間でずれた状態となるような配置様式であってもよい。但し、その場合には、光束分割レンズからの中間光束を効果的に受け入れられるように、後述する集光レンズ２４１、及び偏光分離ユニット２３１の配置様式も適当に変化させる必要がある。
【００４６】
第２の光学要素２２０は、主に集光レンズアレイ２４０、偏光分離ユニットアレイ２３０、選択位相差板２５０及び出射側レンズ２６０から大略構成される複合体であり、第１の光学要素２１０による集光像２１３が形成される位置の近傍の、システム光軸Ｌに対して垂直な平面内（図４ではＸＹ平面）に配置される。尚、第１の光学要素２１０に入射する光束の平行性が極めて良い場合には、第２の光学要素から集光レンズアレイ２４０を省略した構成としても良い。この第２の光学要素２２０は、中間光束２１２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの光束を一ヶ所の照明領域２９０に導くような機能を有している。
【００４７】
集光レンズアレイ２４０は、第１の光学要素２１０とほぼ同様な構成となっており、即ち、第１の光学要素２１０を構成する光束分割レンズ２１１と同数の集光レンズ２４１をマトリックス状に複数配列したものであり、それぞれの中間光束を偏光分離ユニットアレイ２３０の特定の場所に集光しながら導く作用を有している。従って、第１の光学要素２１０により形成された中間光束２１２の特性に合わせて、また、偏光分離ユニットアレイ２３０に入射する光はその主光線の傾きがシステム光軸Ｌと平行であることが理想的である点を考慮して、各集光レンズのレンズ特性は各々最適化されることが望ましい。但し、一般的には、光学系の低コスト化及び設計の容易さを考慮して、第１の光学要素２１０と全く同じものを集光レンズアレイ２３０として用いるか、或いは、光束分割レンズ２１１とＸＹ平面での形状が相似形である集光レンズを用いて構成した集光レンズアレイを用いてもよいことから、本例の場合には、第１の光学要素２１０を集光レンズアレイ２４０として用いている。
【００４８】
次に、偏光分離ユニットアレイ２３０は、複数の偏光分離ユニット２３１がシステム光軸Ｌと垂直な平面内（図４ではＸＹ平面）に配列した構成をなしている。
【００４９】
偏光分離ユニット２３１は、内部に偏光分離面２３２と反射面２３３を備えた四角柱状の構造体であり、偏光分離ユニットに入射する中間光束２１２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する作用を有している。偏光分離ユニット２３１のＸＹ平面上における外形形状は、光束分割レンズ２１１のＸＹ平面上における外形形状と相似形をなしており、即ち、横長の矩形形状である。従って、偏光分離面２３２と反射面２３３とは横方向（Ｘ方向）に並ぶように配置されている。ここで、偏光分離面２３２はシステム光軸Ｌに対して約４５度の傾きをなし、且つ、反射面２３３は偏光分離面と平行な状態をなし、さらに、偏光分離面２３２がＸＹ平面上に投影する断面積と反射面２３３がＸＹ平面上に投影する断面積が等しくなるように、偏光分離面２３２と反射面２３３は設定されている。従って、本例では、偏光分離面２３２が存在する領域のＸＹ平面上での横幅と反射面２３３が存在する領域のＸＹ平面上での横幅とは等しくなり、且つ、それぞれが偏光分離ユニット２３１のＸＹ平面上での横幅の半分になるように設定されている。尚、一般的に、偏光分離面２３２は誘電体多層膜で、また、反射面２３３はアルミニウム膜で形成することができる。
【００５０】
偏光分離ユニット２３１に入射した光は、偏光分離面２３２において、進行方向を変えずに偏光分離面２３２を通過するＰ偏光光束と、偏光分離面２３２で反射され隣接する反射面２３３の方向に進行方向を変えるＳ偏光光束とに分離される。Ｐ偏光光束はそのまま偏光分離ユニットから出射され、Ｓ偏光光束は再び反射面２３３で進行方向を変え、Ｐ偏光光束とほぼ平行な状態となって、偏光分離ユニットから出射される。従って、偏光分離ユニット２３１に入射したランダムな偏光光束は偏光分離ユニットにより偏光方向が異なるＰ偏光光束とＳ偏光光束の二種類の偏光光束に分離され、偏光分離ユニットの異なる場所からほぼ同じ方向に向けて出射される。偏光分離ユニットは上記の様な作用を有することから、それぞれの偏光分離ユニット２３１の偏光分離面２３２が存在する領域にそれぞれの中間光束２１２を導く必要があり、そのため、偏光分離ユニット内の偏光分離面の中央部に中間光束が入射するように、それぞれの偏光分離ユニット２３１とそれぞれの集光レンズ２４１の位置関係やそれぞれの集光レンズ２４１のレンズ特性を調整しておく必要がある。本例の場合には、それぞれの偏光分離ユニット２３１内の偏光分離面２３２の中央部にそれぞれの集光レンズの中心軸が来るように配置するため、集光レンズアレイ２４０は、偏光分離ユニットの横幅の１／４に相当する距離（即ち距離Ｄに等しい）だけ、偏光分離ユニットアレイ２３０に対してＸ方向にずらした状態で配置されている。
【００５１】
偏光分離ユニットアレイ２３０の出射面の側には、λ／２位相差板２５１が規則的に配置された選択位相差板２５０が設置されている。即ち、偏光分離ユニットアレイ２３０を構成する偏光分離ユニット２３１で、Ｐ偏光光束が出射される部分にのみλ／２位相差板２５１が配置され、Ｓ偏光光束が出射される部分にはλ／２位相差板２５１は設置されていない。この様なλ／２位相差板２５１の位置選択的な配置により、偏光分離ユニット２３１から出射されたＰ偏光光束は、λ／２位相差板２５１を通過する際に偏光方向の回転作用を受けＳ偏光光束へと変換される。一方、偏光分離ユニット２３１から出射されたＳ偏光光束はλ／２位相差板２５１を通過しないので、偏光方向は変化せず、Ｓ偏光光束のまま選択位相差板２５０を通過する。以上をまとめると、偏光分離ユニットアレイ２３０と選択位相差板２５０により、偏光方向がランダムな中間光束は一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換されたことになる。尚、本例の場合には、偏光方向がランダムな中間光束をＳ偏光光束に揃える設定としているが、勿論、Ｐ偏光光束に揃える設定としても良い。
【００５２】
選択位相差板２５０の出射面の側には、出射側レンズ２６０が配置されており、選択位相差板２５０によりＳ偏光光束に揃えられた光束は、出射側レンズ２６０により照明領域２９０（本例の場合には、液晶パネル４１１、４１２、４１３が配置される場所）へと導かれ、照明領域上で重畳結合される。ここで、出射側レンズ２６０は１つのレンズ体である必要はなく、第１の光学要素２１０のように、複数のレンズの集合体であってもよい。
【００５３】
従って、第２の光学要素２２０の機能をまとめると、第１の光学要素２１０により分割された中間光束２１２（つまり、光束分割レンズ２１１により切り出されたイメージ面）は、第２の光学要素２２０により照明領域２９０（本例の場合は液晶パネル４１１、４１２、４１３）上で重畳結合される。これと同時に、途中の偏光分離ユニットアレイ２３０により、ランダムな偏光光束である中間光束は偏光方向が異なる二種類の偏光光束に空間的に分離され、選択位相差板２５０を通過する際に一種類の偏光光束に変換されて、殆どすべての光が照明領域２９０（本例の場合は液晶パネル４１１、４１２、４１３）へと達する。このため、照明領域２９０である液晶パネル４１１、４１２、４１３は殆ど一種類の偏光光束でほぼ均一に照明されることになる。
【００５４】
次に、照明光を効率的に伝達するリレー光学装置４３０について、再び図３に基づいて説明する。上述したように、本例の投写型表示装置８００に組み込まれている均一偏光照明光学装置２００では、均一な照明光が得られる領域は光源部１００からある特定の距離だけ離れた領域上に限定される。従って、均一偏光照明光学装置を備えた投写型表示装置では、光源部１００とそれそれの液晶パネル４１１、４１２、４１３との間の光学的な距離が等しいことが要求される。しかし、投写型表示装置８００における光源部１００とそれそれの液晶パネル４１１、４１２、４１３との間のそれぞれの光路に着目すると、青色光だけが、他の２つの色光（赤色光と緑色光）に比べてその距離が長い。従って、青色光の光路中に光学的な距離を補正する導光手段を配置し、３つの色光の光学的な距離（光源部１００とそれぞれの液晶パネルとの間の距離）を等しくする必要がある。
【００５５】
以上の理由により、主に入射レンズ４３１、リレーレンズ４３２、及び出射レンズ４３３から構成されるリレー光学装置４３０が導光手段として、青色光の光路中に配置されている。従って、青色光は、緑光反射ダイクロイックミラー４０２を透過した後に、まず、入射レンズ４３１及び反射ミラー４３５を経て、リレーレンズ４３２に導かれ、このリレーレンズに集束された後、反射ミラー４３６によって出射レンズ４３３に導かれ、しかる後に、青色光用液晶パネル４１３に達する。
【００５６】
次に、それぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３毎に、液晶パネルの光が入射する側の位置に設置されている３つの光散乱素子４９１、４９２、４９３について説明する。これらの光散乱素子は、先の実施例２の光散乱素子と同じ１次元型のホログラフィック型光散乱素子であり、入射する光の波長に合わせてそれぞれの光散乱素子は最適化されている。
【００５７】
上記のように構成した投写型表示装置８００では、均一偏光照明光学装置２００を従来の一般的な光源部（例えば先の実施例２の光源部１００）に代えて用いているため、従来の投写型表示装置（例えば従来の技術として説明した投写型表示装置９００）に比べて、液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明する照明光の光強度にはムラが少なく、さらに、液晶パネルの照明光として相応しいほぼ一種類の偏光状態を有する光のみを照明光として用いることができるため、液晶パネルの偏光板（図示せず）における光損失が少なく、明るい投写画面を実現できる特徴がある。
【００５８】
しかし、一方で、均一偏光照明装置２００には複数の光束分割レンズ２１１が存在するため、光束分割レンズ２１１が横方向に列ぶ数に応じて暗い影も複数箇所に生じる。その結果、この暗い影の存在は視覚的に非常に目障りなものとなり、投写映像の品位を大幅に低下させることとなる。
【００５９】
そこで、３つの光散乱素子４９１、４９２、４９３をそれぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３毎に、液晶パネルの光が入射する側の位置に配置することにより、上記の不都合点を解消している。即ち、均一偏光照明装置２００からの照明光は、光散乱素子４９１、４９２、４９３による光の散乱現象により、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束に変換され、これらの光でそれぞれの液晶パネル４１１、４１２、４１３を照明するため、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中せず、従って、クロスダイクロイックプリズム４５０を光が通過する際に、局部的な光損失をほとんど生じることない。その結果、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因した視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）は、投写画面の中央部に発生することがほとんどない。
【００６０】
また、本例の投写型表示装置８００においても、それぞれの液晶パネル毎に特性の異なる光散乱素子を配置しているため、光散乱素子と投写レンズとの間の距離が短くなり、光散乱素子の光散乱角Ｔを大きく設定でき、また、光散乱素子に入射する光束の波長に合わせて光散乱素子の最適化を行えるため、投写画面の中央部に生じる暗い影の発生を効果的に防止することができる。
【００６１】
さらに、本例のように均一偏光照明装置２００を備えた投写型表示装置では、均一偏光照明装置における照明効率を向上させるために、アーク長が極めて短いランプを光源ランプ１１０として用いる場合が多いが、そのような場合でも、光散乱素子を使用することにより、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因して生じる暗い影の発生を効果的に防止し、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる効果がある。
【００６２】
以上、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００６３】
尚、本例においては、それぞれ特性の異なる３つの光散乱素子を用いているが、先の実施例１の投写型表示装置６００のように、１つの光散乱素子を均一偏光照明装置２００と色光分離手段（ダイクロイックミラー４０１）との間に配置した構成としてもよい。
【００６４】
（実施例４）
反射型の液晶パネルを変調手段として用いた投写型表示装置に光散乱素子を導入した実施例を示す。尚、本例において用いた光散乱素子４８０は、先の実施例１で用いたものと同じ光散乱素子である。
【００６５】
図６は、実施例４の投写型表示装置８５０の光学系部分を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置８５０は、主に、光源部１００、光散乱素子４８０、偏光光束を選択的に分離する偏光ビームスプリッタ４４０、色光分離手段と色光合成手段を兼ねたクロスダイクロイックプリズム４５０、変調手段である３つの反射型液晶パネル４１４、４１５、４１６、及び投写光学系である投写レンズ４６０とから大略構成されている。
【００６６】
光源部１００から出射されたランダムな偏光光束は、光散乱素子４８０を経て偏光ビームスプリッタ４４０に入射し、偏光ビームスプリッタ４４０においてＳ偏光光束のみが選択的に分離される。即ち、偏光ビームスプリッタ４４０に入射したランダムな偏光光束のうち、Ｓ偏光光束のみが偏光分離面４４１で反射され、隣接するクロスダイクロイックプリズム４５０へ入射する。一方、Ｐ偏光光束は偏光分離面４４１をそのまま通過し偏光ビームスプリッタ４４０から出射される（このＰ偏光光束は液晶パネルを照明する照明光とはならない）。
【００６７】
クロスダイクロイックプリズム４５０に入射したＳ偏光光束は、クロスダイクロイックプリズム４５０により波長に応じて赤色光、緑色光、及び青色光の３つの光束に分離され、それぞれ対応する反射型の赤色光用液晶パネル４１４、反射型の緑色光用液晶パネル４１５、及び反射型の青色光用液晶パネル４１６に達し、それぞれの液晶パネルを照明する。即ち、クロスダイクロイックプリズム４５０は液晶パネルを照明する照明光に対しては色光分離手段として作用している。
【００６８】
ここで、本例で用いている液晶パネル４１４、４１５、４１６は反射型であるため、それぞれの液晶パネルでは、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した外部からの表示情報を含ませると同時に、それぞれの液晶パネルから出射される光束の偏光方向を変化させつつ、光束の進行方向を略反転させている。従って、それぞれの液晶パネルからの反射光は表示情報に応じて部分的にＰ偏光状態となって出射される。それぞれの液晶パネル４１４、４１５、４１６から出射された変調光束は、再び、クロスダイクロイックプリズム４５０に入射し、一つの光学像に合成されて、隣接する偏光ビームスプリッタ４４０に入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム４５０は液晶パネルから出射される変調光束に対しては色光合成手段として作用している。
【００６９】
偏光ビームスプリッタ４４０に入射した光束のうち、液晶パネル４１４、４１５、４１６で変調された光束はＰ偏光光束となっているため、偏光ビームスプリッタ４４０の偏光分離面４４１をそのまま通過し、投写レンズ４６０を経てスクリーン４７０上に映像を形成する。
【００７０】
以上のように構成した投写型表示装置８５０では、光源部１００と偏光ビームスプリッタ４４０との間に設置された光散乱素子４８０により、それぞれの反射型の液晶パネル４１４、４１５、４１６を照明する光は、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束となっている。それぞれの液晶パネル上に形成された光学像は、クロスダイクロイックプリズム４５０内で再び合成されスクリーン４７０上にカラーの光学像（映像）を形成するが、この時、クロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する光束も、やはり、ある特定の広がり（光散乱角Ｔ）を持った角度分布を有する光束である。従って、液晶パネルを照明する照明光がクロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する場合においても、また、液晶パネルによって変調された変調光束がクロスダイクロイックプリズム４５０内を通過する場合においても、何れの場合でも、クロスダイクロイックプリズム４５０の中央部に存在する光学的に不均質な領域には光束が集中しないため、局部的な光損失をほとんど生じることなく、クロスダイクロイックプリズムを通過し、スクリーン上に光学像を形成することができる。従って、投写画面の中央部に視覚的に目障りな暗い影（局部的に明るさが低下した領域）を生じることがない。
【００７１】
また、光散乱素子の設計に際しては、光散乱素子を出射する光束の出射角度を適当に設定し、光散乱素子を出射した光束のすべてを投写レンズの入射瞳内に導くように構成しているため、光散乱素子の設置による明るさの低下はほとんど生じない。
【００７２】
従って、本例のように反射型の液晶パネルを備えた投写型表示装置においても、透過型の液晶パネルを備えた投写型表示装置の場合と同様に、光散乱素子の効果的な使用により、投写映像の明るさをほとんど低下させることなく、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題により投写画面上に生じる暗い影の発生を効果的に防止し、高品位の投写映像を実現することができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置において、あるいは同時にアーク長が極めて短いランプを光源に用いた場合でも、光散乱素子を光源と変調手段との間の光路上に配置することにより、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因する暗い影の発生を防止し、視覚的な障害のない高品位の映像を投写表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施例２に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図３】本発明の実施例３に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施例３に係わる投写型表示装置に用いられた均一偏光照明光学系の構成と機能を説明するための説明図である。
【図５】本発明の実施例３に係わる投写型表示装置に用いられた第１の光学要素を示す外観図である。
【図６】本発明の実施例４に係わる投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【図７】光散乱素子を通過した光の散乱状態を示す模式図である。
【図８】クロスダイクロイックプリズムの一般的な構造を示す模式図である。
【図９】従来の代表的な３板式投写型表示装置の光学系を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０・・・光散乱素子
２０・・・光散乱素子に入射した光
２１・・・光散乱角Ｔ
２２・・・角度分布
２３・・・後方散乱光
１００・・・光源部
１１０・・・光源ランプ
１２０・・・放物面リフレクター
２００・・・均一偏光照明装置
２１０・・・第１の光学要素
２１１・・・光束分割レンズ
２１２・・・中間光束
２１３・・・集光像
２２０・・・第２の光学要素
２３０・・・偏光分離ユニットアレイ
２３１・・・偏光分離ユニット
２３２・・・偏光分離面
２３３・・・反射面
２４０・・・集光レンズアレイ
２４１・・・集光レンズ
２５０・・・選択位相差板
２５１・・・λ／２位相差板
２６０・・・出射側レンズ
２９０・・・照明領域
４０１・・・青色光緑色光反射ダイクロイックミラー
４０２・・・緑色光反射ダイクロイックミラー
４１１・・・赤色光用液晶パネル（光透過型）
４１２・・・緑色光用液晶パネル（光透過型）
４１３・・・青色光用液晶パネル（光透過型）
４１４・・・赤色光用液晶パネル（光反射型）
４１５・・・緑色光用液晶パネル（光反射型）
４１６・・・青色光用液晶パネル（光反射型）
４３０・・・リレー光学装置
４３１・・・入射レンズ
４３２・・・リレーレンズ
４３３・・・出射レンズ
４３５、４３６・・・反射ミラー
４４０・・・偏光ビームスプリッタ
４４１・・・偏光分離面
４５０・・・クロスダイクロイックプリズム
４５１・・・プリズム
４５２・・・ダイクロイック膜
４５３・・・光学接着剤
４５４・・・ダイクロイック膜がＸ字状に交差する部分
４５５・・・角面
４５６・・・光学的に不均質な領域
４６０・・・投写レンズ
４７０・・・スクリーン
４８０・・・光散乱素子
４９１・・・赤色光用光散乱素子
４９２・・・緑色光用光散乱素子
４９３・・・青色光用光散乱素子
６００、７００、８００、８５０、９００・・・投写型表示装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a projection display device for projecting and displaying a display image formed by a modulating means such as a liquid crystal panel on a screen.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 (plan view) shows a typical configuration example of a projection display device (three-panel projection display device) using three liquid crystal panels as modulation means. In the three-panel projection display device 900, light from the light source unit 100 is converted into three primary light beams of red light, green light, and blue light by two dichroic mirrors 401 and 402 (color light separating means) having wavelength selectivity. After the separation, the liquid crystal panels 411, 412, and 413 (modulation means) corresponding to the respective color lights are irradiated, and the light transmitted through the respective liquid crystal panels is combined by a cross dichroic prism 450 (color light combining means) and projected. A configuration is employed in which projection display is performed on a screen 470 by a lens 460 (projection optical system).
[0003]
Here, the cross dichroic prism 450 used as the color light combining means is configured by arranging a prism on which a dichroic film is formed in an X shape. The color light combining means of the three-panel projection display device can be realized by a configuration using two dichroic mirrors in parallel instead of the above-mentioned cross dichroic prism, but a configuration using a cross dichroic prism. Since the distance between the liquid crystal panel and the projection lens can be shortened as compared with the configuration using two dichroic mirrors, a projection display device that can obtain a bright projected image without using a large-diameter projection lens. Is easy to realize. Therefore, a cross dichroic prism is often used as a color light combining unit in the projection display device.
[0004]
By the way, in a projection display device using a small liquid crystal panel, in order to obtain a brighter projected image, it is important to efficiently illuminate the small liquid crystal panel using a lamp having a short arc length as a light source. . This is because the shorter the arc length of the lamp, the higher the light collecting property. Accordingly, in recent years, a projection display device equipped with a lamp having an extremely short arc length has been developed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the projection type display device using the cross dichroic prism as the color light combining means has an excellent feature that a bright projected image is easily obtained, but has a problem due to the cross dichroic prism.
[0006]
FIG. 8 schematically shows a planar structure of a general cross dichroic prism. As shown in FIG. 8, a cross dichroic prism 450 has a prism 451 on which a dichroic film 452 having wavelength selectivity is formed in an X-shape, and these four prisms 451 are optically bonded to each other with a refractive index substantially equal to that of the prism. It is formed by integrating with the agent 453. At this time, since the thickness of the optical adhesive is about several tens of μm, the central portion of the cross dichroic prism, that is, the portion 454 where the dichroic films intersect in an X shape, is in a discontinuous state where the dichroic films are not connected. As a result, when the light reflected by the dichroic film and originally intended for the projection lens enters this portion (portion 454 where the dichroic film intersects in an X-shape), the light does not exist in the direction of the projection lens because the dichroic film does not exist. Is not reflected (however, green light is not reflected by the dichroic film and enters the projection lens). Also, the ridges of the four prisms, which are closely adhered in an X-shape, are not perfectly right-angled due to the mechanical processing accuracy limitation of the prisms, and the surface condition is poor in smoothness. (FIG. 8 exaggerates this portion). As a result, light incident on this portion (corner surface 455 having a narrow pole width) is scattered by the portion of corner surface 455, and does not go to the direction of the projection lens. That is, in the central part of the cross dichroic prism, one direction (this one direction corresponds to the vertical direction that intersects the horizontal direction at right angles when the longitudinal direction of the projection screen is the horizontal direction). ), An optically inhomogeneous region 456 extending in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 8 exists, and this region is a region through which light hardly passes. Light that passes through the region 456 that is physically inhomogeneous has a smaller light amount than light that passes through other regions.
[0007]
Therefore, in a projection type display device using a cross dichroic prism as a color light synthesizing means, a dark shadow (a region where brightness is locally reduced, and Portion in the vertical direction), which is visually very unsightly, and is one of the major factors that degrade the display quality of the projected image. The degree of the dark shadow (the degree to which the brightness of the dark shadow part is lower than the surrounding brightness) has a strong correlation with the arc length of the lamp used as the light source. The reason is that the shorter the arc length, the more parallel and condensed the light emitted from the light source, and consequently the light flux passing through the optically inhomogeneous region in the center of the cross dichroic prism. Is increased. Therefore, when a lamp having a long arc length is used as a light source, the presence of a dark shadow is not so noticeable and does not cause a serious problem. However, as in recent years, a lamp having an extremely short arc length is required to obtain a brighter projected image. When the light source is used as a light source, the presence of this dark shadow is very conspicuous, causing a serious problem of deteriorating the display quality of the projected image.
[0008]
Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to intersect a multilayer film in an X shape so as to combine a plurality of light beams modulated by a modulation unit into one. In a projection display device using a color light combining means configured by this, a dark display caused by a structural problem of the cross dichroic prism is made inconspicuous, and a projection display capable of projecting and displaying a high-definition image without visual obstruction. It is to implement the device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems,
1) The first projection type display device of the present invention comprises:
A light source,
A first optical element that collects a light beam emitted from the light source and converts the light beam into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other;
A second optical element arranged near a position where the intermediate light beam converges;
Color light separating means for separating the light beam emitted from the second optical element into light beams of three colors;
Three modulation means for modulating each of the light beams separated by the color light separation means;
Color light combining means for combining a plurality of light fluxes modulated by the respective modulation means,
Projecting means for projecting the light flux synthesized by the color light synthesizing means,
The second optical element includes:
A polarized light beam separating means for spatially separating each of the intermediate light beams into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, and changing the polarization direction of one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam to the polarization direction of the other polarized light beam A polarization generator having a polarization direction conversion means to align with
Superimposing coupling means arranged on the side of the exit surface of the polarized light generator and superimposing and coupling the respective intermediate light fluxes,
A light scattering element is arranged on an optical path between the light source and the modulating means.
[0010]
By adopting the above configuration, the problem described above can be solved. That is, in a projection type display device using a cross dichroic prism as a color light synthesizing means, or at the same time, even when a lamp having an extremely short arc length is used as a light source, a light scattering element is arranged on an optical path between the light source and the modulating means. By doing so, it is possible to prevent the occurrence of dark shadows due to the structural problem of the cross dichroic prism, and to project and display a high-definition image without any visual obstruction.
[0011]
The luminous flux incident on the cross dichroic prism is emitted from the cross dichroic prism while projecting the luminous flux while avoiding the optically inhomogeneous (locally difficult to pass light) area existing in the center of the cross dichroic prism. If the light can be guided into the entrance pupil of the lens, it is possible to prevent the occurrence of dark shadows due to structural problems of the cross dichroic prism. For that purpose, it is necessary to make the light beam incident on the cross dichroic prism have an angular distribution having a specific spread (light scattering angle T), which can be realized by using a light scattering element.
[0012]
Here, as the light-scattering element used in the above configuration, a general light-scattering plate or light-diffusing plate exhibiting a light-scattering phenomenon can be used. The light scattering phenomenon in the light scattering element will be described with reference to FIG. The light scattering element has a small and irregular structure with a change in the refractive index on the surface or inside thereof. Light 20 incident on the light scattering element 10 is scattered by such a structure and partially The light is emitted from the light scattering element 10 with a spread (light scattering angle T21) in the emission direction (light emitted along the travel direction is generally called forward scattered light). Therefore, the light beam emitted from the light scattering element 10 has an angular distribution 22 in the emitting direction, and the angle distribution 22 can be freely controlled by a structure formed on the light scattering element. is there. In general, there is light (backscattered light 23) returning from the light scattering element 10 to the rear (light incident side), but the size and shape of the structure formed on the light scattering element and the distribution state thereof , It is possible to almost eliminate this kind of light. Therefore, if the light scattering element is formed of a material that does not involve light absorption, almost all light incident on the light scattering element can be converted into light having a specific angular distribution and emitted.
[0013]
Therefore, according to the above configuration, the light beam incident on the cross dichroic prism is converted into a light beam having an angular distribution having a specific spread (light scattering angle T) by utilizing the light scattering phenomenon of the light scattering element. Since the light flux is guided into the entrance pupil of the projection lens while avoiding the light flux from concentrating on the optically inhomogeneous region 456 existing at the center of the cross dichroic prism, the center of the projection screen is Almost no dark shadows occur, and high-quality images can be projected and displayed. At this time, by appropriately setting the light scattering angle T of the light beam emitted from the light scattering element, it is possible to guide all the light beam emitted from the light scattering element into the entrance pupil of the projection lens. As a result, it is possible to effectively prevent only dark shadows from occurring, with almost no light loss due to the use of the light scattering element. In particular, when a lamp with an extremely short arc length, which emits a highly parallel light beam, is used as the light source, the light is highly condensed, so that it is located in an optically inhomogeneous region existing in the center of the cross dichroic prism. Although the luminous flux tends to concentrate, even in such a case, by adopting the above configuration in which the light scattering element is arranged on the optical path between the light source and the modulation means, the luminous flux incident on the cross dichroic prism can be dispersed. As a result, the generation of dark shadows can be effectively prevented, and a high-quality image can be projected and displayed.
[0014]
The light scattering element may be arranged at any position on the optical path between the light source and the modulating means. However, the light scattering element may be disposed at any position depending on the distance between the light scattering element and the projection lens. It is necessary to adjust the scattering angle T and set the light scattering element such that all the light beams passing through the modulating means enter the entrance pupil of the projection lens.
[0015]
In particular, in the case of the above-described configuration, it is possible to almost completely prevent the occurrence of dark shadows occurring at a plurality of locations when the light scattering element is not arranged, and thus it is possible to project and display a high-quality image without any visual obstacle. is there.
[0016]
In the projection display device employing the above configuration, since the light beam illuminating the modulating means is substantially one kind of polarized light beam, the light use efficiency is high, and the light is bright, and high quality without uneven brightness or color unevenness. There is an excellent feature that can project and display an image.
[0017]
2) In the first projection display device,
A light scattering element is arranged for each of the three modulating means at a position on the side of the modulating means on which light flux enters.
[0018]
As described in the preceding section 1), the light scattering element may be arranged at any position on the optical path between the light source and the modulating means. In particular, as described above, the three light scattering elements are In the case where each of the modulating means is disposed at a position on the side where the light beam of the modulating means enters, the distance between the light scattering element and the projection lens becomes shorter than in the case of the above item 1). The light scattering angle T of the scattering element can be set large, and the state where the light flux concentrates on an optically inhomogeneous region existing at the center of the cross dichroic prism can be more effectively avoided. Therefore, it is possible to more effectively prevent the occurrence of dark shadows occurring at the center of the projection screen.
[0019]
In addition, the light scattering characteristics of the light scattering element often change depending on the wavelength of the light incident on the light scattering element. In such a case, each of the light scattering characteristics is adjusted according to the wavelength of the light beam incident on each modulation unit. Since the light scattering element can be optimized, the generation of dark shadows can be more effectively prevented.
[0020]
3) In the first projection display device,
The light scattering element is a one-dimensional light scattering element that scatters light in a one-dimensional direction.
[0021]
The optically inhomogeneous region that causes dark shadows exists as an elongated region extending in one direction (generally, the vertical direction) at the center of the cross dichroic prism. Is scattered in one direction perpendicular to the direction in which the optically inhomogeneous region exists (if the direction of the optically inhomogeneous region in the cross dichroic prism is the longitudinal direction, The direction in which the light beam is scattered by the light scattering element is the horizontal direction). Therefore, the one-dimensional type in which the light scattering direction is the one-dimensional direction is optimal as the light scattering element to be used.
[0022]
4) In the first projection display device,
The light scattering element is a holographic light scattering element.
[0023]
The light scattering element described above is an element manufactured using holographic technology. When the light scattering element is manufactured using this technology, it is possible to freely control the size and the scattering direction of the light scattering angle T. It becomes. In particular, the holographic type light scattering element has an excellent feature that almost no backscattered light can be obtained and a large amount of forward scattered light can be obtained. Therefore, when a light scattering element of this type is used, it is possible to more effectively prevent the occurrence of dark shadows generated at the center of the projection screen with almost no light loss in the light scattering element.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, unless otherwise specified, three directions orthogonal to each other are defined as an X direction, a Y direction, and a Z direction. For convenience, the X direction is referred to as a horizontal direction, and the Y direction is referred to as a vertical direction. Is defined as the lateral direction.
[0025]
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system portion of a projection display apparatus according to a first embodiment as viewed in plan. The projection display device 600 of this example uses a transmission type liquid crystal panel as a modulating unit, and includes a light source unit 100, one light scattering element 480, two dichroic mirrors 401 and 402 serving as color light separating units, and Three liquid crystal panels 411, 412, and 413 arranged corresponding to the three primary color light beams, a cross dichroic prism 450 as a color light synthesizing means constituted by crossing X-shaped multilayer films having wavelength selectivity; And a projection lens 460, which is a projection optical system for enlarging and projecting the combined light beam onto a screen 470.
[0026]
The light source unit 100 is generally constituted by a light source lamp 110 and a parabolic reflector 120, and a light beam emitted from the light source lamp 110 is reflected in one direction by the parabolic reflector 120 to become a substantially parallel light beam. And is emitted. Here, an elliptical reflector, a spherical reflector, or the like can be used instead of the parabolic reflector.
[0027]
On the emission side of the light source unit 100, a one-dimensional holographic light scattering element 480 having a one-dimensional light scattering direction and a holographic technique is provided. The light incident on the light scattering element is converted into a light beam having an angular distribution having a specific spread (light scattering angle T) by a light scattering phenomenon, and is emitted from the light scattering element. The optically inhomogeneous region that causes the dark shadow is present as a vertically elongated region in the center of the cross dichroic prism. It is most effective if the lateral direction crosses at right angles to the direction in which the optically inhomogeneous region exists. Therefore, as the light scattering element 480, a one-dimensional light scattering element in which the light scattering direction is a one-dimensional direction is used.
[0028]
The light beam emitted from the light scattering element 480 is separated into three light beams according to the wavelength by the color light separating means, reaches the corresponding liquid crystal panels, and illuminates the respective liquid crystal panels. That is, first, in the blue light green light reflecting dichroic mirror 401, red light is transmitted, and blue light and green light are reflected. The red light is reflected by the reflection mirror 403 and reaches the red light liquid crystal panel 411. On the other hand, of the blue light and the green light, the green light is reflected by the green light reflecting dichroic mirror 402 and reaches the green light liquid crystal panel 412. Further, the blue light transmitted through the green light reflecting dichroic mirror 402 passes through the two reflecting mirrors 435 and 436 and reaches the liquid crystal panel 413 for blue light.
[0029]
Here, the liquid crystal panel for red light 411, the liquid crystal panel for green light 412, and the liquid crystal panel for blue light 413 modulate the respective color lights and include display information corresponding to the respective color lights, and then cross-modulate the modulated color lights. The light enters the dichroic prism 450, and the modulated light fluxes are combined into one light flux in the cross dichroic prism 450. The cross dichroic prism 450 used here has a red light-reflecting dielectric multilayer film and a blue light-reflecting dielectric multilayer film arranged in an X-shape as shown in FIG. In addition, the cross dichroic prism has an optically inhomogeneous region inside due to a structural problem of the cross dichroic prism.
[0030]
The light beam synthesized by the cross dichroic prism 450 forms an image on a screen 470 via a projection lens 460.
[0031]
In the projection display device 600 configured as described above, the liquid crystal panels 411 and 412 are formed by the light scattering elements 480 provided between the light source unit 100 and the two dichroic mirrors 401 and 402 as the color light separating unit. , 413 are luminous fluxes having an angular distribution with a specific spread (light scattering angle T). The optical images formed on the respective liquid crystal panels are combined in the cross dichroic prism 450 to form a color optical image (image) on the screen 470. At this time, the light flux passing through the cross dichroic prism 450 Is a light beam having an angular distribution with a specific spread (light scattering angle T). Therefore, since the light flux does not concentrate on the optically inhomogeneous region existing in the center of the cross dichroic prism 450, the light passes through the cross dichroic prism with almost no local light loss, and the optical image is formed on the screen. Can be formed, and a visually unsightly dark shadow (region where brightness is locally reduced) is not generated at the center of the projection screen.
[0032]
Further, when designing the light scattering element, the exit angle of the light beam emitted from the light scattering element is appropriately set, and all the light beams emitted from the light scattering element are guided into the entrance pupil of the projection lens. Therefore, the brightness is hardly reduced due to the installation of the light scattering element.
[0033]
Therefore, in the projection type display device of this example, the effective use of the light scattering element hardly reduces the brightness of the projected image, and the dark shadow generated on the projection screen due to the structural problem of the cross dichroic prism. Is effectively prevented, and a high-quality projected image can be realized.
[0034]
(Example 2)
In the first embodiment, one light scattering element is disposed between the light source unit and the color light separation unit. Instead, three light scattering elements are provided for each modulation unit. The modulation means may be arranged at a position on the side where the light beam enters.
[0035]
Second Embodiment A configuration of a projection display 700 including three light scattering elements will be described as a second embodiment. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical system portion of a projection display device 700 according to the second embodiment as viewed in plan. In the projection display device 700 and each embodiment described below, since the basic configuration is the same as that of the projection display device 600 according to the first embodiment, the portions having the same functions are denoted by the same reference numerals. The description is omitted.
[0036]
As can be seen from FIG. 2, in the projection display device 700 of the present example, each of the liquid crystal panels 411, 412, and 413 is located at a position where the illumination light from the light source unit 100 is incident on each of the liquid crystal panels. And light scattering elements 491, 492, and 493, respectively. The light scattering element used in this embodiment is the same one-dimensional holographic light scattering element as in the first embodiment. Further, each light scattering element is optimized for the wavelength of light incident on each light scattering element. That is, the light scattering element 491 for red light optimized for red light is provided on the light source side of the liquid crystal panel 411 for red light, and the light scattering element 491 for green light is provided on the light source side of the liquid crystal panel 412 for green light. The light scattering element 492 for green light is arranged on the light source side of the liquid crystal panel 413 for blue light, and the light scattering element 493 for blue light optimized for blue light is arranged.
[0037]
In the projection display device 700 configured as described above, the illumination light from the light source unit 100 has a light flux having an angular distribution having a specific spread (light scattering angle T) due to light scattering by the light scattering element. Is converted to Since each of the liquid crystal panels 411, 412, and 413 is illuminated with these lights, the light flux does not concentrate on the optically inhomogeneous region existing in the center of the cross dichroic prism 450, and the local light loss is almost eliminated. An optical image can be formed on a screen without passing through, passing through a cross dichroic prism, and causing a visually unsightly dark shadow (region where brightness is locally reduced) in the center of the projection screen. There is no.
[0038]
Further, in the projection display device 700 of this example, light scattering elements having different characteristics are arranged for each liquid crystal panel. Therefore, the distance between the light scattering element and the projection lens is shortened, the light scattering angle T of the light beam by the light scattering element can be set large, and the light scattering element can be adjusted according to the wavelength of the light beam incident on the light scattering element. Since optimization can be performed, it is possible to effectively prevent the occurrence of dark shadows generated in the center of the projection screen.
[0039]
Therefore, also in this example, the effective use of the light scattering element effectively reduces the occurrence of dark shadows generated on the projection screen due to the structural problem of the cross dichroic prism without substantially reducing the brightness of the projected image. And a high quality projected image can be realized.
[0040]
(Example 3)
Next, an embodiment in which a light scattering element is introduced into a projection display device having a polarized illumination system will be described.
[0041]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical system portion of a projection display apparatus 800 according to the third embodiment as viewed in plan. The basic configuration of the projection display device 800 according to the present embodiment is the same as that of the projection display device 700 according to the second embodiment. However, the unevenness in brightness is small, and the illumination light having almost one kind of polarization state can be efficiently used. The projection display device 700 is different from the projection display device 700 in that a uniformly-polarized illumination optical device 200 that generates light and a relay optical device 430 that efficiently transmits the illumination light are mounted.
[0042]
Therefore, first, the uniform polarization illumination optical device 200 will be described.
[0043]
As shown in FIG. 4, the optical configuration of the uniform polarization illumination optical device 200 mainly includes a light source unit 100, a first optical element 210, and a second optical element 220.
[0044]
The light source unit 100 is the same as the light source unit of the first embodiment, and emits a polarized light beam having a random polarization direction (hereinafter, abbreviated as a random polarized light beam) in a state substantially parallel to one direction. Here, the light source unit 100 is arranged so that the light source optical axis R of the light source unit 100 is shifted parallel to the system optical axis L by a certain distance D in the X direction.
[0045]
As shown in FIG. 5, the first optical element 210 includes a plurality of light beam splitting lenses 211 having a rectangular outer shape in an XY plane arranged in a matrix. The light incident on the first optical element 210 is split into a plurality of intermediate light beams 212 by the light beam splitting lens 211, and at the same time, by the light condensing action of the light beam splitting lens, in a plane perpendicular to the system optical axis L (XY in FIG. 4). The same number of condensed images 213 as the number of light beam splitting lenses are formed at the position where the intermediate light beam (on the plane) converges. The external shape of the light beam splitting lens on the XY plane is set to be similar to the shape of the illumination area 290 (the liquid crystal panels 411, 412, and 413 in this example). In this example, since a horizontally long liquid crystal panel that is long in the X direction on the XY plane is assumed, the outer shape of the light beam splitting lens 211 on the XY plane is also horizontally long. Further, the arrangement of the light beam splitting lenses 211 constituting the first optical element 210 is not limited to the orthogonal matrix as shown in FIG. 5, but is arranged in the X direction, for example, in a delta arrangement. The arrangement may be such that the lens rows of the light beam splitting lens are shifted from each other in the Y direction. However, in this case, it is necessary to appropriately change the arrangement mode of the condenser lens 241 and the polarization separation unit 231 described later so that the intermediate light beam from the light beam splitting lens can be effectively received.
[0046]
The second optical element 220 is a complex mainly composed of a condenser lens array 240, a polarization separation unit array 230, a selective retardation plate 250, and an emission side lens 260. It is arranged in a plane near the position where the optical image 213 is formed and perpendicular to the system optical axis L (XY plane in FIG. 4). If the light beam incident on the first optical element 210 has extremely good parallelism, a configuration in which the condenser lens array 240 is omitted from the second optical element may be adopted. The second optical element 220 spatially separates each of the intermediate light beams 212 into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, and then aligns the polarization directions of one polarized light beam and the other polarized light beam, It has a function of guiding each light beam having substantially the same polarization direction to one illumination area 290.
[0047]
The condensing lens array 240 has substantially the same configuration as the first optical element 210, that is, a plurality of condensing lenses 241 of the same number as the light beam splitting lenses 211 constituting the first optical element 210 are arranged in a matrix. They are arranged and have a function of guiding each intermediate light beam while condensing it at a specific place of the polarization separation unit array 230. Therefore, according to the characteristics of the intermediate light flux 212 formed by the first optical element 210, it is ideal that the light incident on the polarization separation unit array 230 has the principal ray inclined parallel to the system optical axis L. It is desirable that the lens characteristics of each condensing lens be optimized in consideration of the point. However, generally, in consideration of cost reduction and ease of design of the optical system, the same one as the first optical element 210 is used as the condensing lens array 230, or the light splitting lens 211 and In this embodiment, the first optical element 210 is used as the condensing lens array 240 because a condensing lens array formed by using condensing lenses having similar shapes on the XY plane may be used. Used.
[0048]
Next, the polarization separation unit array 230 has a configuration in which a plurality of polarization separation units 231 are arranged in a plane perpendicular to the system optical axis L (XY plane in FIG. 4).
[0049]
The polarization separation unit 231 is a quadrangular prism-shaped structure internally provided with a polarization separation surface 232 and a reflection surface 233, and spatially converts each of the intermediate light beams 212 incident on the polarization separation unit into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam. It has the action of separating into The outer shape of the polarization separation unit 231 on the XY plane is similar to the outer shape of the light beam splitting lens 211 on the XY plane, that is, a horizontally long rectangular shape. Therefore, the polarization separation surface 232 and the reflection surface 233 are arranged so as to be arranged in the horizontal direction (X direction). Here, the polarization splitting surface 232 has an inclination of about 45 degrees with respect to the system optical axis L, and the reflection surface 233 has a state parallel to the polarization splitting surface. Further, the polarization splitting surface 232 is on the XY plane. The polarization separation surface 232 and the reflection surface 233 are set so that the cross-sectional area for projection and the cross-sectional area for projection of the reflection surface 233 on the XY plane are equal. Therefore, in this example, the width on the XY plane of the region where the polarization separation surface 232 exists is equal to the width of the region where the reflection surface 233 exists on the XY plane, and each of the polarization separation units 231 has the same width. The width is set to be half of the horizontal width on the XY plane. Generally, the polarization splitting surface 232 can be formed of a dielectric multilayer film, and the reflection surface 233 can be formed of an aluminum film.
[0050]
The light incident on the polarization separation unit 231 travels in the polarization separation surface 232 in the direction of the P-polarized light beam passing through the polarization separation surface 232 without changing the traveling direction, and in the direction of the adjacent reflection surface 233 reflected by the polarization separation surface 232. It is separated into an S-polarized light beam that changes direction. The P-polarized light beam is emitted from the polarization separation unit as it is, and the S-polarized light beam changes its traveling direction again on the reflection surface 233, becomes substantially parallel to the P-polarized light beam, and is emitted from the polarization separation unit. Accordingly, the randomly polarized light beam incident on the polarization separation unit 231 is separated by the polarization separation unit into two types of polarized light beams of a P-polarized light beam and an S-polarized light beam having different polarization directions, and is moved in almost the same direction from different places of the polarized light separation unit. It is emitted toward. Since the polarization separation unit has the above-described operation, it is necessary to guide each intermediate light beam 212 to a region where the polarization separation surface 232 of each polarization separation unit 231 exists. It is necessary to adjust the positional relationship between the respective polarization separation units 231 and the respective condenser lenses 241 and the lens characteristics of the respective condenser lenses 241 so that the intermediate light flux is incident on the center of the surface. In the case of this example, since the central axes of the respective condenser lenses are located at the center of the polarization separation surface 232 in each polarization separation unit 231, the condenser lens array 240 is The polarization separation unit array 230 is displaced in the X direction by a distance corresponding to １ ／ of the width (that is, equal to the distance D).
[0051]
On the side of the exit surface of the polarization separation unit array 230, a selective retardation plate 250 in which λ / 2 retardation plates 251 are regularly arranged is provided. That is, in the polarization separation unit 231 of the polarization separation unit array 230, the λ / 2 retardation plate 251 is disposed only at the portion where the P-polarized light beam is emitted, and λ / 2 at the portion where the S-polarized light beam is emitted. The phase difference plate 251 is not provided. With such a position-selective arrangement of the λ / 2 phase difference plate 251, the P-polarized light beam emitted from the polarization separation unit 231 undergoes a rotation action in the polarization direction when passing through the λ / 2 phase difference plate 251. It is converted to an S-polarized light beam. On the other hand, since the S-polarized light beam emitted from the polarization separation unit 231 does not pass through the λ / 2 phase difference plate 251, the polarization direction does not change and passes through the selected phase difference plate 250 as the S-polarized light beam. In summary, the polarization separation unit array 230 and the selective retardation plate 250 convert the intermediate light flux having a random polarization direction into one kind of polarized light flux (S-polarized light flux in this case). In this example, the setting is such that the intermediate light beam having a random polarization direction is aligned with the S-polarized light beam.
[0052]
An emission-side lens 260 is disposed on the emission surface side of the selection phase difference plate 250, and the light beam that has been aligned to the S-polarized light beam by the selection phase difference plate 250 is illuminated by the emission-side lens 260 into an illumination area 290 (this example). In the case of (1), the liquid crystal panels 411, 412, and 413 are disposed), and are superposed and coupled on the illumination area. Here, the emission side lens 260 does not need to be a single lens body, and may be an aggregate of a plurality of lenses like the first optical element 210.
[0053]
Therefore, when the functions of the second optical element 220 are put together, the intermediate light beam 212 split by the first optical element 210 (that is, the image plane cut out by the light beam splitting lens 211) is converted by the second optical element 220. They are superimposed and coupled on the illumination area 290 (the liquid crystal panels 411, 412, 413 in this example). At the same time, the intermediate light flux, which is a random polarized light flux, is spatially separated into two types of polarized light fluxes having different polarization directions by the polarization separation unit array 230 on the way, and when the intermediate light flux passes through the selective retardation plate 250, one type of polarized light flux is passed. And almost all light reaches the illumination area 290 (the liquid crystal panels 411, 412, and 413 in this example). Therefore, the liquid crystal panels 411, 412, and 413, which are the illumination area 290, are almost uniformly illuminated by one kind of polarized light beam.
[0054]
Next, the relay optical device 430 for efficiently transmitting the illumination light will be described again with reference to FIG. As described above, in the uniform polarization illumination optical device 200 incorporated in the projection display device 800 of the present example, the region where uniform illumination light can be obtained is limited to the region separated from the light source unit 100 by a specific distance. Is done. Therefore, in a projection display device including a uniform polarization illumination optical device, it is required that the optical distance between the light source unit 100 and the liquid crystal panels 411, 412, and 413 thereof is equal. However, focusing on the respective optical paths between the light source unit 100 and the respective liquid crystal panels 411, 412, and 413 in the projection display device 800, only blue light is the other two color lights (red light and green light). The distance is longer than. Therefore, it is necessary to dispose a light guiding means for correcting the optical distance in the optical path of the blue light and make the optical distances of the three color lights (the distance between the light source unit 100 and each liquid crystal panel) equal. is there.
[0055]
For the above reason, the relay optical device 430 mainly including the incident lens 431, the relay lens 432, and the emission lens 433 is disposed in the optical path of the blue light as the light guide. Accordingly, after transmitting the blue light through the green light reflecting dichroic mirror 402, first, the blue light is guided to the relay lens 432 via the incident lens 431 and the reflecting mirror 435, is focused on this relay lens, and is then output by the reflecting mirror 436. The light is guided to the blue light liquid crystal panel 413.
[0056]
Next, three light-scattering elements 491, 492, 493 installed at positions on the liquid crystal panel's side where light is incident are described for each of the liquid crystal panels 411, 412, 413. These light-scattering elements are the same one-dimensional holographic light-scattering elements as the light-scattering elements of Embodiment 2 described above, and each light-scattering element is optimized according to the wavelength of incident light. .
[0057]
In the projection display device 800 configured as described above, the uniform polarization illumination optical device 200 is used in place of the conventional general light source unit (for example, the light source unit 100 of the second embodiment), and thus the conventional projection display device 800 is used. As compared with a liquid crystal display device (for example, a projection display device 900 described as a conventional technique), the light intensity of the illumination light for illuminating the liquid crystal panels 411, 412, and 413 has less unevenness. Since only light having a suitable almost one kind of polarization state can be used as illumination light, there is a feature that light loss in a polarizing plate (not shown) of the liquid crystal panel is small and a bright projection screen can be realized.
[0058]
However, on the other hand, since the plurality of light beam splitting lenses 211 are present in the uniformly polarized light illuminating device 200, dark shadows also occur at a plurality of locations according to the number of light beam splitting lenses 211 arranged in the horizontal direction. As a result, the presence of this dark shadow becomes visually very annoying, and significantly degrades the quality of the projected image.
[0059]
Therefore, the above-mentioned disadvantages are solved by arranging the three light scattering elements 491, 492, and 493 for each of the liquid crystal panels 411, 412, and 413 at positions on the light incident side of the liquid crystal panel. . That is, the illumination light from the uniformly polarized illumination device 200 is converted into a light beam having an angular distribution having a specific spread (light scattering angle T) by a light scattering phenomenon by the light scattering elements 491, 492, 493, Since each of the liquid crystal panels 411, 412, and 413 is illuminated with these lights, the light flux does not concentrate on an optically inhomogeneous region existing at the center of the cross dichroic prism 450. When light passes through, there is little local light loss. As a result, visually unsightly dark shadows (regions where brightness is locally reduced) due to structural problems of the cross dichroic prism hardly occur at the center of the projection screen.
[0060]
Also, in the projection display device 800 of the present embodiment, since the light scattering elements having different characteristics are arranged for each liquid crystal panel, the distance between the light scattering element and the projection lens is shortened, and the light scattering element is reduced. The light scattering angle T can be set large, and the light scattering element can be optimized according to the wavelength of the light beam incident on the light scattering element, effectively preventing the occurrence of dark shadows that occur at the center of the projection screen. can do.
[0061]
Further, in the projection display device including the uniformly polarized light illuminating device 200 as in this example, a lamp having an extremely short arc length is often used as the light source lamp 110 in order to improve the illumination efficiency in the uniformly polarized illuminating device. Even in such a case, the use of the light scattering element effectively prevents the occurrence of dark shadows caused by a structural problem of the cross dichroic prism, and provides a high-definition image without visual obstruction. There is an effect that can be projected and displayed.
[0062]
As described above, the effective use of the light scattering element effectively prevents the occurrence of dark shadows on the projection screen due to the structural problem of the cross dichroic prism without substantially reducing the brightness of the projected image. High quality projected images can be realized.
[0063]
In this example, three light scattering elements having different characteristics are used. However, as in the projection display apparatus 600 of the first embodiment, one light scattering element is connected to the uniform polarization illumination device 200 and the color light. It may be configured to be arranged between the separating means (the dichroic mirror 401).
[0064]
(Example 4)
An embodiment in which a light scattering element is introduced into a projection display device using a reflection type liquid crystal panel as a modulating means will be described. The light scattering element 480 used in this example is the same light scattering element as that used in the first embodiment.
[0065]
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the optical system portion of the projection display device 850 according to the fourth embodiment as viewed in plan. The projection display device 850 of this example mainly includes a light source unit 100, a light scattering element 480, a polarization beam splitter 440 for selectively separating a polarized light beam, a cross dichroic prism 450 that also serves as a color light separating unit and a color light combining unit, It is roughly composed of three reflective liquid crystal panels 414, 415, 416 as modulation means, and a projection lens 460 as a projection optical system.
[0066]
The randomly polarized light beam emitted from the light source unit 100 enters the polarization beam splitter 440 via the light scattering element 480, and the polarization beam splitter 440 selectively separates only the S-polarized light beam. That is, of the randomly polarized light beams incident on the polarizing beam splitter 440, only the S-polarized light beam is reflected by the polarization splitting surface 441 and is incident on the adjacent cross dichroic prism 450. On the other hand, the P-polarized light beam passes through the polarization splitting surface 441 as it is and is emitted from the polarization beam splitter 440 (this P-polarized light beam does not become illumination light for illuminating the liquid crystal panel).
[0067]
The S-polarized light beam incident on the cross dichroic prism 450 is separated by the cross dichroic prism 450 into three light beams of red light, green light, and blue light according to the wavelength, and the corresponding reflective liquid crystal panel for red light 414 is provided. To the reflective liquid crystal panel for green light 415 and the reflective liquid crystal panel for blue light 416 to illuminate the respective liquid crystal panels. That is, the cross dichroic prism 450 functions as a color light separating unit for the illumination light for illuminating the liquid crystal panel.
[0068]
Here, since the liquid crystal panels 414, 415, and 416 used in this example are of a reflective type, each liquid crystal panel modulates each color light and includes display information from the outside corresponding to each color light. At the same time, the traveling direction of the light beam is substantially reversed while changing the polarization direction of the light beam emitted from each liquid crystal panel. Therefore, the reflected light from each liquid crystal panel is partially P-polarized according to the display information and is emitted. The modulated light beams emitted from the respective liquid crystal panels 414, 415, and 416 again enter the cross dichroic prism 450, are combined into one optical image, and enter the adjacent polarization beam splitter 440. That is, the cross dichroic prism 450 functions as a color light combining unit for the modulated light beam emitted from the liquid crystal panel.
[0069]
Of the light beams incident on the polarization beam splitter 440, the light beams modulated by the liquid crystal panels 414, 415, and 416 are P-polarized light beams, so they pass through the polarization splitting surface 441 of the polarization beam splitter 440 as they are, and enter the projection lens 460. , An image is formed on the screen 470.
[0070]
In the projection display device 850 configured as described above, light that illuminates the reflective liquid crystal panels 414, 415, and 416 by the light scattering element 480 provided between the light source unit 100 and the polarizing beam splitter 440. Is a light beam having an angular distribution with a certain spread (light scattering angle T). The optical images formed on the respective liquid crystal panels are combined again in the cross dichroic prism 450 to form a color optical image (image) on the screen 470. At this time, the light flux passing through the cross dichroic prism 450 Is also a light beam having an angular distribution with a specific spread (light scattering angle T). Therefore, even when the illumination light for illuminating the liquid crystal panel passes through the cross dichroic prism 450, and also when the modulated light flux modulated by the liquid crystal panel passes through the cross dichroic prism 450, in any case, Since the light flux does not concentrate on the optically inhomogeneous region existing in the center of the cross dichroic prism 450, the light passes through the cross dichroic prism with almost no local light loss and forms an optical image on the screen. can do. Therefore, a visually unsightly dark shadow (a region where brightness is locally reduced) does not occur at the center of the projection screen.
[0071]
Further, when designing the light scattering element, the exit angle of the light beam emitted from the light scattering element is appropriately set, and all the light beams emitted from the light scattering element are guided into the entrance pupil of the projection lens. Therefore, the brightness is hardly reduced due to the installation of the light scattering element.
[0072]
Therefore, in the projection display device including the reflection type liquid crystal panel as in this example, similarly to the case of the projection type display device including the transmission type liquid crystal panel, by the effective use of the light scattering element, It is possible to effectively prevent the occurrence of dark shadows generated on the projection screen due to a structural problem of the cross dichroic prism without substantially lowering the brightness of the projected image, and to realize a high-quality projected image.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a projection display device using a cross dichroic prism as a color light synthesizing means, or at the same time, even when a lamp having an extremely short arc length is used as a light source, the light scattering element is used as a light source. By arranging it on the optical path between the light source and the modulating means, it is possible to prevent the occurrence of dark shadows due to a structural problem of the cross dichroic prism, and to project and display a high-definition image without any visual obstruction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an optical system of a projection display apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an optical system of a projection display apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram illustrating an optical system of a projection display apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a configuration and a function of a uniform polarization illumination optical system used in a projection display apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an external view showing a first optical element used in a projection display apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an optical system of a projection display apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a scattering state of light passing through a light scattering element.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a general structure of a cross dichroic prism.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing an optical system of a conventional typical three-panel projection display device.
[Explanation of symbols]
10 Light scattering element
20: Light incident on the light scattering element
21 ... Light scattering angle T
22 ... Angular distribution
23 ・ ・ ・ Backscattered light
100 light source unit
110 ・ ・ ・ Light source lamp
120 ・ ・ ・ Parabolic reflector
200: Uniformly polarized illumination device
210: first optical element
211: Beam splitting lens
212 ... intermediate light flux
213 ・ ・ ・ Condensed image
220... Second optical element
230 ・ ・ ・ Polarization separation unit array
231 ··· Polarization separation unit
232 ... polarization separation surface
233 ... Reflective surface
240 ・ ・ ・ Condenser lens array
241 ・ ・ ・ Condenser lens
250 ... Selection phase difference plate
251 ... λ / 2 phase difference plate
260 ・ ・ ・ Emission side lens
290 ... Illumination area
401 ・ ・ ・ Blue light green light reflection dichroic mirror
402 ・ ・ ・ Green light reflection dichroic mirror
411: Liquid crystal panel for red light (light transmission type)
412: Liquid crystal panel for green light (light transmission type)
413 ... Blue light liquid crystal panel (light transmission type)
414 ... Red light liquid crystal panel (light reflection type)
415: Liquid crystal panel for green light (light reflection type)
416 ... Blue light liquid crystal panel (light reflection type)
430 ... relay optical device
431 ... incident lens
432 ・ ・ ・ Relay lens
433 ・ ・ ・ Emission lens
435, 436 ... Reflection mirror
440 ... polarizing beam splitter
441: polarized light separating surface
450 ・ ・ ・ Cross dichroic prism
451: Prism
452 ・ ・ ・ Dichroic film
453 ・ ・ ・ Optical adhesive
454... Where the dichroic membrane crosses in an X-shape
455: Square face
456: optically inhomogeneous region
460 ・ ・ ・ Projection lens
470 ・ ・ ・ Screen
480 ・ ・ ・ Light scattering element
491 ... Light scattering element for red light
492 ・ ・ ・ Light scattering element for green light
493 ・ ・ ・ Light scattering element for blue light
600, 700, 800, 850, 900 ... projection display device

Claims (4)

光源と、
前記光源から出射される光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置の付近に配置された第２の光学要素と、
前記第２の光学要素から出射された光束を３色の光束に分離する色光分離手段と、
前記色光分離手段により分離されたそれぞれの前記光束を変調する３つの変調手段と、
前記それぞれの変調手段により変調された複数の光束を合成する色光合成手段と、
前記色光合成手段により合成された光束を投写する投写手段とを有し、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する偏光光束分離手段と、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃える偏光方向変換手段とを有する偏光発生装置と、
前記偏光発生装置の出射面の側に配置され、それぞれの中間光束を重畳結合させる重畳結合手段とを有し、
前記光源と前記変調手段の間の光路上に光散乱素子を配置したことを特徴とする投写型表示装置。A light source,
A first optical element that collects a light beam emitted from the light source and converts the light beam into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other;
A second optical element arranged near a position where the intermediate light beam converges;
Color light separating means for separating the light beam emitted from the second optical element into light beams of three colors;
Three modulation means for modulating each of the light beams separated by the color light separation means;
Color light combining means for combining a plurality of light fluxes modulated by the respective modulation means,
Projecting means for projecting the light flux synthesized by the color light synthesizing means,
The second optical element includes:
A polarized light beam separating means for spatially separating each of the intermediate light beams into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, and changing the polarization direction of one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam to the polarization direction of the other polarized light beam A polarization generator having a polarization direction conversion means to align with
Superimposing coupling means arranged on the side of the exit surface of the polarized light generator and superimposing and coupling the respective intermediate light fluxes,
A projection display device, wherein a light scattering element is arranged on an optical path between the light source and the modulation means. 請求項１において、
前記３つの変調手段毎に、前記変調手段の光束が入射する側の位置に光散乱素子をそれぞれ配置したことを特徴とする投写型表示装置。In claim 1,
A projection display device, wherein a light-scattering element is arranged at a position on the light-incident side of the modulation means for each of the three modulation means. 請求項１または請求項２において、
光散乱素子は１次元方向に光を散乱する１次元型の光散乱素子であることを特徴とする投写型表示装置。In claim 1 or claim 2,
A projection display device, wherein the light scattering element is a one-dimensional light scattering element that scatters light in one-dimensional direction. 請求項１乃至請求項３において、
光散乱素子はホログラフィック型の光散乱素子であることを特徴とする投写型表示装置。In claims 1 to 3,
The projection display device, wherein the light scattering element is a holographic light scattering element.
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