JP2004070333A

JP2004070333A - Optical unit and projection type display device

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Publication number: JP2004070333A
Application number: JP2003206640A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Ouchi; 大内　敏; Yasuo Otsuka; 大塚　康男; Masahiko Tanitsu; 谷津　雅彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JP4534443B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve size reduction, improved brightness, high picture quality, and increased accuracy in assembling components, with respect to a projection type image display device. <P>SOLUTION: In first and the second array lens of the projection type image display device, the lens cell dimension is made nearly 1/4.5 or larger compared with the dimension of a liquid crystal display element, or the diagonal dimension of the lens cell is made nearly 0.18" or smaller. Otherwise, the total number of lens cells is made roughly 240 or more. In addition, in a polarizing beam splitter optical system, a light shielding member is installed in the second array lens. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルあるいは反射式映像表示素子などのライトバルブ素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、液晶テレビジョン、投写型ディスプレイ装置等の映像表示技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル等のライトバルブ素子に、電球などの光源からの光を当てて、液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投写型映像表示装置が知られている。
この種の映像表示装置は、光源からの光をライトバルブ素子で画素毎の濃淡に変えて調節し、スクリーンなどに投射するものである。例えば、液晶表示素子の代表例であるツイステッド・ネマティック（ＴＮ）型液晶表示素子は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方向が互いに９０°異なるように２枚の偏光板を配置したものであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させる作用と、偏光板の偏光成分の選択作用とを組み合わせることにより、入射光の透過光量を制御して画像情報を表示するようになっている。近年、こうした透過型あるいは反射型の映像表示素子では、素子自体の小型化が進むとともに、解像度等の性能も急速に向上している。
【０００３】
このため、該映像表示素子を用いた表示装置の小型高性能化も進み、単に従来のようにビデオ信号等による映像表示を行うだけでなく、パーソナルコンピュータの画像出力装置としての投射型映像表示装置も新たに提案されている。この種の投射型映像表示装置には、特に、小型であることと、画面の隅々まで明るい画像が得られることが要求される。しかし、従来の投射型映像表示装置は、大型であったり、また最終的に得られた画像の明るさ、画質等の性能が不十分であるといった問題があった。
例えば、液晶表示装置全体の小型化には、ライトバルブすなわち液晶表示素子自体の小型化が有効であるが、液晶表示素子を小型化すると液晶手段による被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束量に対する液晶表示素子を小型化すると照明手段による被照射面積が小さくなるため光源が放射する全ての光束量に対する液晶表示素子上の光束量の比率（以下、これを光利用効率という）が低くなり、また、画面周辺部が暗い等の問題が生じる。さらに、液晶表示素子は一方向の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を発する光源からの光の約半分は利用されない。
画面周辺部で明るい画像を得る手段としては、例えば、特開平３ー１１１８０６号公報に記載されているような、２枚のアレイレンズを用いたインテグレータ光学系がある。インテグレータ光学系は、光源からの光を第一のアレイレンズを構成している複数の矩形開口形状の集光レンズによって分割して、各矩形開口形状の出射光を各矩形開口形状の集光レンズに対応した集光レンズ群により構成した第二のアレイレンズにより照射面（液晶表示素子）に重畳結像させるものである。この光学系では液晶表示素子を照射する光の強度分布をほぼ均一にすることができる。
【０００４】
一方、光源からのランダムな偏光光を一方向の偏光方向に揃えて液晶表示素子に照射する光学系としては、特開平４−６３３１８号公報に開示されているような偏光ビームスプリッターを利用して、光源から出射するランダムな偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離してプリズムを用いて合成するものがある。
しかし、従来のインテグレータ光学系においては、アレイレンズの１つのレンズセルの矩形対角サイズが０．２５″（インチ）以上であるため、マイクロレンズ付の液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性を向上しようとすると、照明系のＦ値を概略２から３近くに設定しなければならなくなり、第一のアレイレンズと第二のアレイレンズ間の３１ｍｍ以上の距離となって長くなり、光学系の小型化が達成できなかった。したがって、従来の投射型液晶表示装置では、Ａ４ファイルサイズに小型化することが困難であった。また、偏光ビームスプリッターを利用する光学系においても、アレイレンズとの精度上の整合性が困難であり、小型化することが困難であった。その結果、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することが困難であった。さらに、投射型液晶表示装置の場合には上記照明手段以外に投射レンズの光学的特性、また液晶表示素子の光学的特性等のさまざまな要素が画質性能に影響するため、照明手段のみを改善しても小型で画質性能の良い表示装置を得ることは困難であった。また、第二の発明である遮光膜付けをアレイレンズ側に設けることにより、隣接するＳ偏光光路に入射した光を遮光することができ、従来、映像表示素子近傍の偏光板の温度上昇を引き起こしていた不要光を抑えることができる。
以上より、液晶表示装置の明るさおよび画質の向上と、小型化という２つの観点からの対応が必要となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術での課題事項をまとめると、映像表示装置の明るさおよび画質上の性能確保と小型化を両立する方法が課題であり、明るさおよび画質向上に関する事項と、光学ユニットの大きさを構成上小型化するための対応技術に関する事項が、それぞれ課題となっている。さらに、明るさ確保のために、境界面を少なくするための光学部品同士の貼り合せ精度の向上が課題となっている。
また、偏光合成手段の主要光路に隣接するＳ偏光光路に入射した光を遮光し、映像表示素子近傍の偏光板の温度上昇を引き起こしていた不要光を抑えることが課題となっている。
本発明では、上記した従来技術での課題事項に関して、明るさおよび画質確保とともに高精度小型化できる投写型映像表示技術の提供が目的である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明において、複数の集光レンズセルにて構成されたアレイレンズにおいて、１つのレンズセルの対角寸法を略０．１８″以下とする。
これにより、アレイレンズの厚さの増大化を抑えることが可能で、アレイレンズの重さを軽くでき、硝材の量も減少するので、製造コストも安価になる。
【０００７】
また、光源ユニットの出射光から映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段の映像表示素子と、この映像表示素子の上に光を照射させる照明光学系と、出射した光を投射する投射手段とを有する光学ユニットにおいて、
前記照明光学系は、
反射面鏡を有する光源ユニットと、この反射面鏡の出射開口と略同等サイズ内に設けられた複数の集光レンズにより構成され、この光源ユニットから出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成する第一のアレイレンズと、複数の集光レンズにより構成され、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、映像表示素子に第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズとを有し、前記映像表示素子の映像表示部の対角寸法が０．７″（インチ）あるいは０．９″あるいは１．３″の場合に、少なくとも、前記第一のアレイレンズの１つのレンズセルの対角寸法を略０．１８″以下とする。
この構成により、光学ユニットの全長を短縮でき、小型、軽量化できる。
【０００８】
また、本発明においては、出射開口を持つ反射面鏡を有し、かつ反射面鏡内でランプ電極の片側に設置された径が略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤを有する光源からの出射光を被照射面上に照射させる照明光学系と、映像表示素子から出射した光をスクリーンに投射する投射手段とを有する投射型の光学ユニットまたは映像表示装置において、
前記照明光学系は、少なくとも１つの反射面鏡と、この反射面鏡の出射開口と略同等サイズの枠に設けられた複数の集光レンズにより構成され、光源ユニットから出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズと、複数の集光レンズにより構成され、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、映像表示素子に第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズと、前記第一のアレイレンズあるいは前記第二のアレイレンズからの光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離する偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターの出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光方向を回転するためのλ／２位相差板と、該Ｐ偏光光とＳ偏光光のいずれかの偏光光を反射させるための反射部から構成される偏光合成手段とを有し、
この偏光合成手段は、前記第一のアレイレンズおよび、または前記第二のアレイレンズの各々のレンズ光軸の縦配列方向あるいは横配列方向のいずれかのピッチに偏光ビームスプリッターの各配列の中心軸を適合させて複数個の偏光合成手段を配列し、かつ前記第一のアレイレンズおよび、または第二のアレイレンズの各々のレンズ光軸のピッチの中心に位置するＳ偏光光の反射プリズムの光軸入射面、すなわち前記第二のアレイレンズの偏光合成手段側の面に、遮光部材を付加した第二のアレイレンズを、前記光源と映像表示素子の間に介在させた構成とする。
【０００９】
かかる構成により、従来、膜付け温度の工程上、偏光合成手段に設けることが困難であった遮光膜付けをアレイレンズ側に設けることにより、遮光膜付けが可能となった。これにより、隣接するＳ偏光光路に入射した光を遮光することができ、従来、映像表示素子近傍の偏光板の温度上昇を引き起こしていた不要光を抑えることができる。
【００１０】
また、投射型の映像表示装置において、少なくとも第一のアレイレンズまたは第二のアレイレンズのいずれかにおける１つのレンズセルの、対角寸法、縦寸法、横寸法の少なくともいずれかの寸法が、前記映像表示素子の、対応する、対角寸法、縦寸法、または横寸法に対し、略１／４．５以上である構成とする。
または、前記映像表示素子の映像表示部の対角寸法が０．７″あるいは０．９″あるいは１．３″の場合に、前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方における１つのレンズセルの矩形対角寸法が略０．１８″以下である構成とする。
【００１１】
または、前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方における１つのレンズセルの対角寸法が、略０．１８″以下である構成とする。
または、前記第一のアレイレンズ、第二のアレイレンズのいずれか一方または両方において、レンズセルの総数が略２４０以上である構成とする。
または、前記第一のアレイレンズと第二のアレイレンズの１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成とする。
かかる構成により、アレイレンズのレンズセルの大きさを微細化し、第一のアレイレンズと第二のアレイレンズの間隔を短小化でき、なおかつ小型な映像表示素子を用いて表示装置全体を小型化できるとともに、明るく、画面全体にわたって画質がより均一な映像表示装置を実現できる。
【００１２】
また、本構成により、アレイレンズの１つのレンズセルの矩形対角サイズが略０．１８″（インチ）以下であるため、マイクロレンズ付の液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性の向上のための、照明系のＦ値を概略２から３近くに設定した場合に、第一のアレイレンズと第二のアレイレンズ間を３０ｍｍ以下の距離に短縮でき、光学系の小型化が達成できる。
したがって、投射型液晶表示装置では、Ａ４ファイルサイズに小型化することできる。また、偏光ビームスプリッターを利用する光学系においても、貼付けにより、アレイレンズとの精度上の位置合わせが可能となり、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。
【００１３】
さらに、セルサイズが略０．１８″以下であると７個から８個のセルを電極ワイヤの影が横切ると液晶表示素子上で均一化させることが可能で、この場合、光軸中心の左右の片側に電極ワイヤが存在するので、アレイレンズの横配列あるいは縦配列が最低１２から１４列必要となる。したがって、セル数が略２４０セル以上となるため略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤの影が液晶表示素子に映りこむことを防ぐことができ、均一な画質が得られ、上記課題を容易に解決できる。
また、映像表示装置を略Ａ４ファイルサイズ以下とすることにより、アタッシュケース等の中に収納でき、携帯に適した小形高画質高輝度の映像表示装置にできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明による第１番目の投写型の液晶表示装置の一実施形態を示す図である。
図１において、投射型液晶表示装置には、光源１があり、光源１は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。光源１は、円形ないし多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射面鏡５と、反射面鏡内でランプ電極の片側に設置された径が０．６ｍｍ以内の電極ワイヤ２８を有し、この光源１から出される光はライトバルブ素子である液晶表示素子２を通過して投射レンズ３に向かい、スクリーン４へ投影される。
【００１５】
光源１の電球から放射される光は楕円面または放物面または非球面のリフレクタ５にて集光され、第一のアレイレンズ６に入射する。光は第一のアレイレンズ６を通過後、第二のアレイレンズ７を通過し、偏光ビームスプリッター８に入射する。この入射光は偏光ビームスプリッター８により透過光はＰ偏光光、反射光はＳ偏光光に分離され、該Ｐ偏光光は偏光ビームスプリッター８の出射側面に配置されたλ／２位相差板９により偏光方向が９０°回転し、Ｓ偏光光となり、コンデンサレンズ１０に入射する。また、前記Ｓ偏光光は反射を繰り返し、隣接する偏光ビームスプリター８の出射面から出射され、コンデンサレンズ１０に入射する。コンデンサレンズ１０は、少なくとも１枚以上の構成であり、正の屈折力を有し、このＳ偏光光をさらに集光させる作用を持ち、このコンデンサレンズ１０を通過した光は液晶表示素子２を照射する。液晶表示素子２の入射側にはＳ偏光光を透過する入射偏光板１１を配置する。
【００１６】
従来の投射型液晶表示装置では入射偏光板１１と液晶表示素子２と出射側偏光板１２の組合せにより、一方向の偏光光しか透過しないため透過光量が約半分になっていた。しかし、本実施例では偏光ビームスプリッター８を用いるため、光源１から出射するランダムな偏光光の偏光方向を揃えて液晶表示素子２に入射するため、理想的には従来の投射型液晶表示装置の２倍の明るさが得られる。
【００１７】
また、本実施例では、本発明の第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７は、同じ形状のものを使用しており、１つのレンズセルの横寸法が、液晶表示素子２の横寸法の略々１／５．３の比率であり、例えば液晶表示素子２の映像表示部の矩形対角寸法が０．９″の場合に、１つのレンズセルの矩形対角寸法が、概略０．１７”の寸法であり、さらに第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を構成するレンズセルの総数が略２４０セル以上あり、この１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成となっており、光学系の小型化が達成できる。また、略２４０セル以上の個々の像が液晶表示素子２に重なり、従来の装置よりも均一な画質が得られる。さらに、セルサイズ０．１７″であるから、セルを電極ワイヤ２８の影が横切る場合でも、略２４０セル（略１６×１５セル）以上であるので、画質を均一化させることが可能である。したがって、投射型液晶表示装置では、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。
【００１８】
また、本発明の偏光ビームスプリッター８は、第二のアレイレンズ７よりも光軸方向で薄い構成であり、光学全長を短縮するとともに、光学ユニットの軽量化さらには、照明系のＦ値を大きくする効果がある。これにより、小型、軽量、さらに投射レンズ３のＦ値を照明系にリンクして大きくすることができるので、投射レンズ３の小型軽量にも効果がある。
この液晶表示素子２を通過した光は、例えばズームレンズであるような投射手段３を通過し、スクリーン４に到達する。前記投射手段３により、液晶表示素子２に形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。
【００１９】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
図２は、本発明における投射型液晶表示装置の一実施例の構成図である。図２の実施例は、液晶ライトバルブとして透過型液晶表示素子２をいわゆる色の３原色のＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色に対応して合計３枚用いた３板式投射型表示装置を示している。本実施例において、光源である例えば超高圧水銀ランプのようなランプ１３より出射した光は、放物反射面鏡リフレクタ５に反射された後、この放物反射面鏡リフレクタ５の出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた複数の集光レンズにより構成され、ランプユニット１４から出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズ６に入射し、さらに複数の集光レンズにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、かつ液晶表示素子２に第一のアレイレンズ６の個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズ７を通過する。この出射光は第二のアレイレンズ７の各々のレンズ光軸の横方向のピッチに適合するように配置された各々のレンズ幅の略１／２サイズの菱形プリズムの列へ入射する。このプリズム面には偏光ビームスプリッター８の膜付けが施されており、入射光は、この偏光ビームスプリッター８にてＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光ビームスプリッタ−８内を直行し、このプリズムの出射面に設けられたλ／２位相差板９により、偏光方向が９０°回転され、Ｓ偏光光に変換され出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッター８により反射され、隣接する菱形プリズム内で本来の光軸方向にもう一度反射してからＳ偏光光として出射される。その後、コンデンサレンズ１０により、液晶表示素子２に集光される。この途中で偏光ビームスプリッター８の出射光は、全反射ミラー１５によりその光路を９０°折り曲げられ、光軸に対して４５°の角度に配置されたＢ（青色），Ｇ（緑色）反射ダイクロイックミラー１６により、Ｒ（赤色）の光は透過し、Ｂ，Ｇの光は反射する。透過したＲ光線は、Ｒ用全反射ミラー１７によりその光路を９０°折り曲げられて、液晶表示素子前コンデンサレンズ１８及び入射偏光板１１を通過し、対向電極、液晶等で構成された液晶表示素子２に入射され、液晶表示素子２の光の出射側に設けられた出射偏光板１２を通過する。
【００２０】
液晶表示素子２には、表示する画素に対応する（例えば横８００画素縦６００画素各３色など）数の液晶表示部が設けてある。そして、外部より駆動される信号に従って、液晶表示素子２の各画素の偏光角度が変わり、最終的に出射偏光板１２の偏光方向と一致する方向になった光が出射され、直交方向になった光が出射偏光板１２で吸収される。この途中の角度の偏光を持った光は、出射偏光板１２の偏光角度との関係で偏光板を通る光の量と偏光板に吸収される量とが決まる。このようにして、外部より入力する信号に従った画像を投影する。
出射偏光板１２を出射したＲ光線は、Ｒ光線を反射させる作用を有するダイクロイックプリズム１９にて反射され、例えばズームレンズのような投射手段３に入射し、スクリーンに投射される。
【００２１】
一方、Ｂ，Ｇ透過ダイクロイックプリズム１９を透過したＢ光線とＧ光線は、Ｇ反射ダイクロイックミラー２０に入射し、このミラーによりＧ光線は反射し、液晶表示素子前コンデンサレンズ１８及び入射偏光板１１を通過し、液晶表示素子２に入射し、液晶表示素子２の光の出射側に設けられた出射偏光板１２を通過する。出射偏光板１２を出射したＧ光線は、Ｇ光線を透過する作用を有するダイクロイックプリズム１９を透過し、投射レンズ３に入射し、スクリーンに投射される。
また、Ｇ反射ダイクロイックミラー２０を透過したＢ光線は、リレーレンズ２１を透過し、全反射ミラー２２によりその光路を９０°折り曲げられてリレーレンズ２１を透過後、全反射ミラー２３によりその光路を９０°折り曲げられて液晶表示素子前コンデンサレンズ１８及び入射偏光板１１を通過し、液晶表示素子２に入射され、液晶表示素子２の光の出射側に設けられた出射偏光板１２を通過する。出射偏光板１２を出射したＢ光線は、Ｂ光線を反射させる作用を有するダイクロイックプリズム１９にて反射後、投射レンズ３に入射し、スクリーンに投射される。
【００２２】
以上より、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した光線が色分離手段及び色合成手段により分離、合成され、投射レンズ３によりＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した液晶表示素子２上の画像を拡大し、スクリーン上に各色の画像を合成し拡大した実像を得るものである。同図において、電源回路２４、映像信号回路２５のように配置し、また、吹き出しファン２６により光源１で発生する熱を外部に導く作用を有する。また、本実施例では偏光合成手段によりランダムな光源からの出射光を一方向に揃えるため、入射偏光板の熱の発生が少ない。
【００２３】
また、前記光源と前記投射手段は、それぞれの光軸が互いに直交になるように配置し、さらに、前記色分離手段と前記液晶表示素子及び前記色合成手段とからなる色分離合成ユニットを介して電源回路２４及び映像信号回路２５を同図に示すように配置することにより、装置全体を小型化することができる。
また、本実施例では、本発明の第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７は、同じ形状のものを使用しており、１つのレンズセルの横寸法が、液晶表示素子２の横寸法の略１／５．３の比率であり、例えば液晶表示素子２の映像表示部の矩形対角寸法が０．９″の場合に、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルの矩形対角寸法が、概略０．１７″の寸法であり、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を構成するレンズセルの総数が、略２４０セル以上あり、第一のアレイレンズ６と第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成となっており、光学系の小型化が達成できる。また、略２４０セル以上の個々の像が液晶表示素子２に重なり、従来の装置よりも均一な画質が得られる。また、セルサイズ０．１７″であるからセルを電極ワイヤ２８の影が横切る場合でも、略２４０セル（略１６×１５セル）以上であれば、画質を均一化させることが可能である。したがって、投射型液晶表示装置では、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。
【００２４】
また、マイクロレンズ付の液晶表示素子等を用いて明るさおよび画質の均一性を向上しようとすると、照明系のＦ値を概略２から３近くに設定しなければならなくなり、この場合でも、本発明の第一のアレイレンズと第二のアレイレンズ間隔が３０ｍｍ以下の距離に短縮でき、光学系の小型化が達成できる。
【００２５】
さらに、本発明においては、偏光合成手段を組み合わせており、偏光合成手段である偏光ビームスプリッター８の厚さを第二のアレイレンズ７より薄くしている、（すなわち第二のアレイレンズ７が２．５±０．５ｍｍ程度である場合、偏光ビームスプリッター８は２ｍｍ以下とする）、ことにより光路長さが短縮でき、かつ全反射ミラー１５を接近させて配置でき、セットの小型化が可能となる。
【００２６】
図２に示す本発明の実施例において、照明光学系は、ランプユニット１４、第一のアレイレンズ６、第二のアレイレンズ７、偏光ビームスプリッター８、λ／２位相差板９、コンデンサレンズ１０、全反射ミラー１５等を備えており、ランプ１３からの光をＲ、Ｇ、Ｂの光に分離する前までの光路を云う。また、光学ユニットとしては、照明光学系を含み、さらに照明光学系からの光をＢ（青色），Ｇ（緑色）反射ダイクロイックミラー１６、Ｇ反射ダイクロイックミラー２０等を用いてそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの光に分離するまでを指す場合と、この分離したＲ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれの液晶表示素子２に入射し、Ｒの光、Ｂの光を反射し、Ｇの光を透過するダイクロイックプリズム１９を介して投射手段３に至る光路までを指す場合とがある。
【００２７】
図３は、本発明による第１番目の一実施形態の一部効果を示す図である。
図３は、投射型液晶表示装置の照明光学系を示しており、光源１は、円形の反射面鏡５を有し、かつ反射面鏡５内でランプ電極の片側に設置された径が略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤ２８を有する。
光源１の電球から放射される光は楕円面または放物面または非球面のリフレクタ５にて集光され、第一のアレイレンズ６に入射する。光は第一のアレイレンズ６を通過後、第二のアレイレンズ７を通過し、偏光ビームスプリッター８に入射する。この入射光は偏光ビームスプリッター８により透過光はＰ偏光光、反射光はＳ偏光光に分離され、このＰ偏光光は偏光ビームスプリッター８の出射側面に配置されたλ／２位相差板９により偏光方向が９０°回転し、Ｓ偏光光となり、コンデンサレンズ１０に入射する。また、前記Ｓ偏光光は反射を繰り返し、隣接する偏光ビームスプリター８の出射面から出射され、コンデンサレンズ１０に入射する。コンデンサレンズ１０は、少なくとも１枚以上の構成であり、正の屈折力を有し、該Ｓ偏光光をさらに集光させる作用を持ち、該コンデンサレンズ１０を通過した光は液晶表示素子２を照射する。
【００２８】
図３において、本実施例では、本発明の第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７は、同じ形状のものを使用しており、１つのレンズセルの横寸法が、液晶表示素子２の横寸法の略々１／５．３の比率であり、例えば液晶表示素子２の映像表示部の矩形対角寸法が０．９″の場合に、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルの矩形対角寸法が、概略０．１７″の寸法であり、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を構成するレンズセルの総数が、２４０セル以上あり、（図３は概略図）第一のアレイレンズ６と第二のアレイレンズ７の１つのレンズセルのレンズ焦点距離が３０ｍｍ以内である構成となっているため、光学系の小型化が達成できる。また、図３の点線ように、２４０セル以上の個々の像が液晶表示素子２に重なり、従来の装置よりも均一な画質が得られる。また、セルサイズ０．１７″であるからセルを電極ワイヤ２８の影が横切る場合でも、略２４０セル（略１６×１５セル）以上であれば片側７から８列となり、０．１７″セルサイズならば略０．６ｍｍ幅の帯状の影が６本並ぶと１つのセルサイズとなるので、セルは片側で最低６列以上あれば、液晶表示素子上で電極ワイヤ２８による影に起因する明るさの明暗がなくなり、これによる色ムラを無くし、画質を均一化させることが可能である。この場合、光軸中心の左右の片側に電極ワイヤが存在するので、アレイレンズの横配列あるいは縦配列が余裕分を１から２列以上とると、最低１４から１６列以上必要となる。したがって、セル数が略２４０セル以上となれば、略０．６ｍｍ以内の電極ワイヤの影が液晶表示素子に映り込みを図の斜線のように均一化し、明暗が均一で、色ムラのない画質が得られる。
したがって、投射型液晶表示装置では、装置全体の小型化と明るさ等の性能向上を同時に実現することができる。さらに、第一のアレイレンズ６および第二のアレイレンズ７を同一形状としたことにより、型が一種類ですみ、コスト低減も図れる。
【００２９】
図４は、本発明による第２番目の一実施形態を示す図である。
図４の偏光ビームスプリッター８はガラス板材に光のＰ偏光光とＳ偏光光を分離する偏光ビームスプリッター膜を付けており、これを積層に接着した後、４５°にスライスした構成となっている。このため図４のように、縦長の菱形プリズムが数個配列された平板状の構成になっている。この膜付けは一面おきにアルミあるいは銀等のミラー蒸着を施しても良い。但し、このミラー部はＳ偏光光を反射する役割となっているため、このプリズム光路には光線を入射させない工夫が必要である。
【００３０】
このため、本発明の偏光ビームスプリッター８は、第二のアレイレンズ７の各々のレンズ光軸のピッチの中心に位置するＳ偏光光の反射プリズムの光軸入射面、すなわち第二のアレイレンズ７側の面に、遮光部材２７を付加し、不要光がカットされ、入射偏光板１１によって吸収カットされる時に、光から熱にエネルギー変換され発生する発熱を防止すること効果がある。この遮光部材２７は、銀やアルミ蒸着膜付けによる一列おきのスリット状の反射膜、あるいは、スリガラス状の発散膜、あるいは遮光用の金属シール、あるいは耐熱シール、あるいはスリットを入れた金属板、あるいは金属メッキ等で構成される。
【００３１】
以上のような、数個の偏光ビームスプリッター８が配列された平板状の構成では、一列おきにλ／２位相差板９を貼り合せており、分離したＰ偏光光をＳ偏光光へ変換し、偏光ビームスプリッター８から出射する光をＳ偏光光に揃えたり、あるいは、分離したＳ偏光光が入射したプリズムの隣接するプリズムから反射して出射された後、λ／２位相差板９にて、偏光ビームスプリッター８の出射光をＰ偏光光で揃えることも可能である。
【００３２】
以上のような平板状の偏光ビームスプリッター８の各々の菱形プリズムを第二のアレイレンズ７の各々のレンズ光軸の横配列方向のピッチに適合させて複数個を配列し、かつ第二のアレイレンズ７の中央部に隙間、例えば光軸ピッチの１／２幅の隙間ｈ、をあけて、第二のアレイレンズ７の左右あるいは上下半分づつに分割して、中央部を境に左右対称状態にて、偏光ビームスプリッター８と、同じ偏光ビームスプリッター８のもう一枚を光軸を中心にして１８０°反転した状態で貼り合せれば、第二のアレイレンズ７に設けた遮光部材２７と偏光ビームスプリッタ−８の横配列方向のピッチに高精度で適合させることが可能となり、製造上困難であった、第二のアレイレンズ７および遮光部材２７と偏光ビームスプリッター８を高精度貼り合わせを実現できる。
【００３３】
従来は、図４（ｂ）のように左右対称型の平板状の偏光ビームスプリッター８をメーカにて作成し、この偏光ビームスプリッター８と第二のアレイレンズ７の光学部品同士の界面が空気層であると、反射防止膜を界面に施しても、光の透過効率が低下するので、この偏光ビームスプリッター８と第二のアレイレンズ７とを、各々のレンズ光軸と偏光ビームスプリッター８の横配列方向のピッチを適合させて貼り合せる構成となっていた。この時、不要光をカットするスリット状の遮光板を第二のアレイレンズ７の前、すなわち光源側に配置し、偏光ビームスプリッター８に入射する前に不要光成分、図中の斜線部分、を遮光する構成となっていた。しかし、この場合は、遮光部材２７は、スリットを設けた金属板などの構造部材であり、光軸に対して独立して、この遮光部材を支持しなければならなかった。
このため、遮光部材２７の部品精度誤差や組み立て精度誤差により、必要な光まで遮光してしまうことが生じ、かつ、組み立て時にも部品点数が増えるので、加工行程費用がかかる構成であった。
【００３４】
しかし、本発明では、遮光部材２７を設けた第二のアレイレンズ７に偏光ビームスプリッター８を中央を境にして左右対称型にて貼り合せ、蒸着膜等で遮光部材を形成するため、Ｓ光路のプリズムの入射面をほとんど誤差無く遮光でき、かつ部品点数も少なく組み立て性が向上する。
さらに、本発明により、従来のような左右対称型の平板状の偏光ビームスプリッター８をメーカにて作成してから、第二のアレイレンズ７に貼り合せる２段階の加工行程はせず、２個の偏光ビームスプリッター８を１段階の加工行程で第二のアレイレンズ７に貼り合せるので、加工コストの低減が図れる。
【００３５】
また、従来の偏光ビームスプリッター８は、左右一体なので、貼り合せ精度が、左端から右端まで積み重なり、第二のアレイレンズ７に貼り合せる時に、中央振り分けとなり、どうしても左右の貼り合せ精度誤差、例えば±０．２５が左右両側に出てしまう。
しかし、本発明により、左右別体の遮光部材２７を設けた第二のアレイレンズ７に偏光ビームスプリッター８を貼り合せるので、中央からの精度誤差を積み上げることにはならず、左の偏光ビームスプリッター８は左側の中心または光量の大きな第二のアレイレンズ７上の左半分の中のレンズ光軸を精度振り分けの中心とすることが可能なため、上述の数値でいえば、±０．１２５の貼り合せ精度誤差に抑えられる。また同様に右側の偏光ビームスプリッター８を第二のアレイレンズ７に貼り合せる場合も、上述の左側同様に貼り合せ精度誤差を半減できる効果もある。これにより、第二レンズアレイ７のレンズ光軸ピッチの１／２幅の偏光ビームスプリッター８の貼り合せ誤差による光軸の位置ズレが少なくなり、第二のアレイレンズ７からの入射光が偏光ビームスプリッター８によってケラレる光量が減少する。これにより光の透過効率が向上し、明るさの性能向上が実現可能となった。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の投写型の映像表示装置は、小型化の光学系を達成でき、装置全体をＡ４ファイルサイズ以下にまで小型化できる効果がある。また、偏光ビームスプリッターを利用する光学系においても、アレイレンズとの精度上の位置合わせが可能となり、装置全体の小型化と併せ、明るさ等の性能向上も同時に実現することができる。
さらに、セルサイズ略０．１８″以下でセル数が略２４０セル以上である場合は、電極ワイヤの影が液晶表示素子に映りこむことを防ぐことができ、均一な画質が得られる。
また、遮光部材を設ける構成では、これにより不要光がカットされ、発熱を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１番目の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明の第１番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図３】本発明の第１番目の一実施形態の効果を示す図である。
【図４】本発明の第２番目の一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…光源、２…映像表示素子、３…投射レンズ、５…リフレクタ、６…第一のアレイレンズ、７…第二のアレイレンズ、８…偏光ビームスプリッター、９…λ／２位相差板、１０…コンデンサレンズ、１１…入射偏光板、１２…出射偏光板、２７…遮光部材、２８…電極ワイヤ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a projection device that projects an image on a screen using a light valve element such as a liquid crystal panel or a reflective video display device, for example, a liquid crystal projector device, a reflective video display projector device, a liquid crystal television, The present invention relates to an image display technology such as a projection display device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A projection type image display device such as a liquid crystal projector that enlarges and projects an image on a liquid crystal panel by applying light from a light source such as a light bulb to a light valve element such as a liquid crystal panel is known.
This type of image display device is a device in which light from a light source is changed into light and shade for each pixel by a light valve element, adjusted, and projected onto a screen or the like. For example, a twisted nematic (TN) type liquid crystal display element, which is a typical example of a liquid crystal display element, has a polarization direction before and after a liquid crystal cell formed by injecting liquid crystal between a pair of transparent substrates having a transparent electrode coating. Are arranged so that they are different from each other by 90 °. By combining the action of rotating the polarization plane by the electro-optic effect of the liquid crystal and the action of selecting the polarization component of the polarizing plate, Image information is displayed by controlling the amount of transmitted light. In recent years, in such a transmission type or reflection type image display device, the size of the device itself has been reduced, and the performance such as resolution has been rapidly improved.
[0003]
For this reason, a display device using the video display device has been downsized and improved in performance. In addition to a conventional video display or the like, a projection type video display device as an image output device of a personal computer has been provided. Has also been proposed. In particular, this type of projection type video display device is required to be small in size and to obtain a bright image to every corner of the screen. However, the conventional projection-type image display device has a problem that it is large in size, and the performance such as brightness and image quality of the finally obtained image is insufficient.
For example, to reduce the size of the entire liquid crystal display device, it is effective to reduce the size of the light valve, that is, the size of the liquid crystal display element itself. When the size of the liquid crystal display element with respect to the amount of light flux is reduced, the area illuminated by the illuminating means is reduced, so that the ratio of the amount of light flux on the liquid crystal display element to the total amount of light emitted by the light source (hereinafter referred to as light use efficiency) And the peripheral portion of the screen is dark. Further, since the liquid crystal display element can use only polarized light in one direction, about half of light from a light source that emits randomly polarized light is not used.
As a means for obtaining a bright image at the periphery of the screen, for example, there is an integrator optical system using two array lenses as described in JP-A-3-111806. The integrator optical system divides the light from the light source by a plurality of rectangular aperture-shaped condensing lenses constituting the first array lens, and divides the output light of each rectangular aperture into a condensing lens of each rectangular aperture. In this case, an image is superimposed and formed on an irradiation surface (liquid crystal display element) by a second array lens constituted by a condenser lens group corresponding to the above. In this optical system, the intensity distribution of the light illuminating the liquid crystal display element can be made substantially uniform.
[0004]
On the other hand, as an optical system for aligning random polarized light from a light source in one direction of polarization and irradiating the liquid crystal display element, a polarizing beam splitter as disclosed in JP-A-4-63318 is used. There is a type in which random polarized light emitted from a light source is separated into P-polarized light and S-polarized light and synthesized using a prism.
However, in the conventional integrator optical system, since the rectangular diagonal size of one lens cell of the array lens is 0.25 ″ (inch) or more, the brightness and image quality using a liquid crystal display device with a micro lens are used. In order to improve the uniformity of F, the F-number of the illumination system must be set to approximately 2 to 3, and the distance between the first array lens and the second array lens becomes 31 mm or more and the distance becomes longer. Therefore, it has been difficult to reduce the size of the optical system to the conventional projection type liquid crystal display device, and it has been difficult to reduce the size of the optical system to the A4 file size. It was difficult to match the accuracy of the device with the array lens, and it was difficult to reduce the size of the device. Further, in the case of a projection type liquid crystal display device, various factors such as the optical characteristics of the projection lens and the optical characteristics of the liquid crystal display element affect the image quality performance in addition to the above-mentioned illumination means. Therefore, it is difficult to obtain a small-sized display device having good image quality even if only the illumination means is improved. Light incident on the polarized light path can be shielded, and unnecessary light that has conventionally caused a rise in the temperature of the polarizing plate near the image display element can be suppressed.
As described above, it is necessary to cope with the two viewpoints of improving the brightness and image quality of the liquid crystal display device and reducing the size.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
To summarize the issues in the prior art described above, a method to achieve both the brightness and image quality of the image display device and the miniaturization is an issue. Each of the techniques has a problem with respect to a technology for reducing the size of the device. Furthermore, in order to secure brightness, there is a problem of improving the accuracy of bonding optical components with each other to reduce the boundary surface.
Another problem is to block light incident on the S-polarized light path adjacent to the main light path of the polarization combining means, and to suppress unnecessary light that has caused the temperature rise of the polarizing plate near the image display element.
An object of the present invention is to provide a projection-type image display technique capable of ensuring high brightness and image quality and miniaturizing with high accuracy, with respect to the above-mentioned problems in the conventional technique.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the diagonal dimension of one lens cell in an array lens composed of a plurality of condenser lens cells is set to approximately 0.18 ″ or less.
As a result, it is possible to suppress an increase in the thickness of the array lens, to reduce the weight of the array lens, and to reduce the amount of glass material, thereby reducing the manufacturing cost.
[0007]
Also, an image display element of a light valve means for forming an optical image corresponding to an image signal from the light emitted from the light source unit, an illumination optical system for irradiating light on the image display element, and a projection for projecting the emitted light And an optical unit having
The illumination optical system includes:
The light source unit has a reflecting surface mirror, and a plurality of condenser lenses provided within a size substantially equal to the exit opening of the reflecting surface mirror. A first array lens for forming a secondary light source image, and a plurality of condenser lenses, which are arranged in the vicinity of the plurality of secondary light source images to be formed, and each of which is provided on a video display element. A second array lens for forming a lens image, wherein a diagonal dimension of an image display section of the image display element is 0.7 "(inch), 0.9", or 1.3 "; At least the diagonal dimension of one lens cell of the first array lens is about 0.18 ″ or less.
With this configuration, the entire length of the optical unit can be reduced, and the optical unit can be reduced in size and weight.
[0008]
Further, in the present invention, the light emitted from a light source having a reflecting mirror having an emission opening, and having an electrode wire having a diameter of about 0.6 mm or less installed on one side of the lamp electrode in the reflecting mirror is used. An illumination optical system that irradiates the surface to be illuminated, and a projection-type optical unit or an image display device that includes a projection unit that projects light emitted from an image display element onto a screen,
The illumination optical system includes at least one reflecting mirror and a plurality of focusing lenses provided in a frame having substantially the same size as the exit opening of the reflecting mirror, and collects light emitted from the light source unit. A first array lens for forming a plurality of secondary light source images, and a plurality of condenser lenses, which are arranged in the vicinity of where the plurality of secondary light source images are formed, A second array lens that forms individual lens images of one array lens, and a polarized beam that separates light from the first array lens or the second array lens into P-polarized light and S-polarized light A splitter; a λ / 2 retardation plate for rotating any one of P-polarized light and S-polarized light, which is light emitted from the polarized beam splitter; and one of the P-polarized light and S-polarized light. To reflect polarized light And a composed polarized light combining means from the reflective portion,
The polarization synthesizing means includes a central axis of each array of the polarization beam splitters arranged at a pitch in either a vertical arrangement direction or a horizontal arrangement direction of the optical axes of the first array lens and / or the second array lens. And a plurality of polarization synthesizing means are arranged, and the light of the S-polarized light reflecting prism located at the center of the pitch of the optical axis of each lens of the first array lens and / or the second array lens A second array lens to which a light-blocking member is added is interposed between the light source and the image display element on the axial incident surface, that is, the surface of the second array lens on the side of the polarization combining means.
[0009]
With such a configuration, a light-shielding film can be formed by providing a light-shielding film on the array lens side, which was conventionally difficult to provide in the polarization combining means in the process of forming a film. As a result, light incident on the adjacent S-polarized light path can be blocked, and unnecessary light that has conventionally caused a temperature rise of the polarizing plate near the image display element can be suppressed.
[0010]
Further, in the projection type image display device, at least one of the diagonal dimension, the vertical dimension, and the horizontal dimension of at least one of the lens cells in the first array lens or the second array lens is the aforementioned. It is configured to be approximately 1 / 4.5 or more with respect to the corresponding diagonal dimension, vertical dimension, or horizontal dimension of the image display element.
Alternatively, when the diagonal dimension of the video display unit of the video display element is 0.7 ", 0.9", or 1.3 ", one of the first array lens and the second array lens or The configuration is such that the rectangular diagonal dimensions of one lens cell in both are approximately 0.18 ″ or less.
[0011]
Alternatively, the diagonal dimension of one lens cell in one or both of the first array lens and the second array lens is approximately 0.18 ″ or less.
Alternatively, in one or both of the first array lens and the second array lens, the total number of lens cells is about 240 or more.
Alternatively, one lens cell of the first array lens and the second array lens has a lens focal length of 30 mm or less.
With this configuration, the size of the lens cell of the array lens can be reduced, the distance between the first array lens and the second array lens can be reduced, and the entire display device can be reduced in size using a small image display element. In addition, it is possible to realize an image display device that is bright and has more uniform image quality over the entire screen.
[0012]
In addition, according to this configuration, since the rectangular diagonal size of one lens cell of the array lens is approximately 0.18 ″ (inch) or less, uniformity of brightness and image quality can be obtained by using a liquid crystal display device with a micro lens. When the F-number of the illumination system is set to approximately 2 to 3 for improving the optical system, the distance between the first array lens and the second array lens can be reduced to 30 mm or less, and the size of the optical system can be reduced. Can be achieved.
Therefore, in the projection type liquid crystal display device, the size can be reduced to A4 file size. Also, in an optical system using a polarizing beam splitter, it is possible to perform alignment with an array lens with accuracy by pasting, and it is possible to simultaneously achieve miniaturization of the entire apparatus and improvement in performance such as brightness.
[0013]
Furthermore, if the cell size is approximately 0.18 ″ or less, seven to eight cells can be made uniform on the liquid crystal display element when the shadow of the electrode wire crosses them. Since there is an electrode wire on one side of the array lens, at least 12 to 14 rows or rows of array lenses are required, so that the number of cells is about 240 cells or more, and the shadow of the electrode wire within about 0.6 mm is required. Can be prevented from being reflected on the liquid crystal display element, uniform image quality can be obtained, and the above problem can be easily solved.
Further, by setting the image display device to be approximately A4 file size or less, the image display device can be stored in an attache case or the like, and can be a small, high-quality, high-brightness image display device suitable for carrying.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a first projection type liquid crystal display device according to the present invention.
In FIG. 1, the projection type liquid crystal display device includes a light source 1, which is a white lamp such as an ultra-high pressure mercury lamp, a metal halide lamp, a xenon lamp, a mercury xenon lamp, and a halogen lamp. The light source 1 has at least one reflecting mirror 5 having a circular or polygonal exit aperture, and an electrode wire 28 having a diameter of 0.6 mm or less, which is provided on one side of the lamp electrode in the reflecting mirror. Light emitted from the light source 1 passes through a liquid crystal display element 2 which is a light valve element, is directed to a projection lens 3, and is projected on a screen 4.
[0015]
Light emitted from the light bulb of the light source 1 is condensed by an elliptical, parabolic, or aspherical reflector 5 and enters the first array lens 6. After passing through the first array lens 6, the light passes through the second array lens 7 and enters the polarization beam splitter 8. The incident light is separated into a P-polarized light and a reflected light into an S-polarized light by a polarizing beam splitter 8, and the P-polarized light is separated by a λ / 2 retardation plate 9 disposed on an output side surface of the polarizing beam splitter 8. The polarization direction is rotated by 90 °, becomes S-polarized light, and enters the condenser lens 10. The S-polarized light repeats reflection, exits from the exit surface of the adjacent polarization beam splitter 8, and enters the condenser lens 10. The condenser lens 10 has at least one or more components, has a positive refractive power, has an action of further condensing the S-polarized light, and the light passing through the condenser lens 10 irradiates the liquid crystal display element 2. I do. An incident polarizer 11 that transmits S-polarized light is disposed on the incident side of the liquid crystal display element 2.
[0016]
In the conventional projection type liquid crystal display device, only the polarized light in one direction is transmitted by the combination of the incident polarizer 11, the liquid crystal display element 2, and the output side polarizer 12, so that the transmitted light amount is reduced to about half. However, in this embodiment, since the polarization beam splitter 8 is used, the polarization direction of the randomly polarized light emitted from the light source 1 is incident on the liquid crystal display element 2 with the polarization direction aligned. Double the brightness is obtained.
[0017]
In the present embodiment, the first array lens 6 and the second array lens 7 of the present invention have the same shape, and the lateral dimension of one lens cell is the lateral dimension of the liquid crystal display element 2. For example, when the rectangular diagonal size of the image display unit of the liquid crystal display element 2 is 0.9 ″, the rectangular diagonal size of one lens cell is approximately 0 / 5.3. .17 ", the total number of lens cells constituting the first array lens 6 and the second array lens 7 is approximately 240 cells or more, and the lens focal length of this one lens cell is within 30 mm. With this configuration, downsizing of the optical system can be achieved. Further, individual images of approximately 240 cells or more overlap the liquid crystal display element 2, and a more uniform image quality than that of the conventional device can be obtained. Furthermore, since the cell size is 0.17 ″, even when the shadow of the electrode wire 28 crosses the cell, the cell size is about 240 cells (about 16 × 15 cells) or more, so that the image quality can be made uniform. Therefore, in the projection-type liquid crystal display device, it is possible to simultaneously reduce the size of the entire device and improve the performance such as brightness.
[0018]
Further, the polarizing beam splitter 8 of the present invention has a configuration that is thinner in the optical axis direction than the second array lens 7, shortens the overall optical length, reduces the weight of the optical unit, and increases the F-number of the illumination system. Has the effect of doing Accordingly, since the F-number of the projection lens 3 can be increased by linking it to the illumination system, the size and weight of the projection lens 3 can be reduced.
The light passing through the liquid crystal display element 2 passes through a projection unit 3 such as a zoom lens, and reaches a screen 4. The image formed on the liquid crystal display element 2 by the projection means 3 is enlarged and projected on a screen to function as a display device.
[0019]
Next, specific examples of the present invention will be described.
FIG. 2 is a configuration diagram of one embodiment of the projection type liquid crystal display device according to the present invention. In the embodiment shown in FIG. 2, a total of three transmission liquid crystal display elements 2 corresponding to three primary colors R (red), G (green) and B (blue) are used as liquid crystal light valves. 3 shows a three-panel projection display device. In the present embodiment, light emitted from a lamp 13 such as an extra-high pressure mercury lamp, which is a light source, is reflected by a parabolic reflector 5 and then substantially parallel to the exit aperture of the parabolic reflector 5. It is composed of a plurality of condenser lenses provided in a rectangular frame of the same size, collects light emitted from the lamp unit 14, and enters the first array lens 6 for forming a plurality of secondary light source images. Further, the liquid crystal display element 2 is constituted by a plurality of condensing lenses, is disposed in the vicinity of the plurality of secondary light source images, and forms the individual lens images of the first array lens 6 on the liquid crystal display element 2. The light passes through the second array lens 7. This outgoing light is incident on a row of rhombic prisms each having a size approximately half the width of each lens and arranged so as to match the lateral pitch of each lens of the second array lens 7. The prism surface is provided with a polarizing beam splitter 8, and the incident light is separated into P-polarized light and S-polarized light by the polarizing beam splitter 8. The P-polarized light goes straight through the polarization beam splitter 8 as it is, and its polarization direction is rotated by 90 ° by a λ / 2 retardation plate 9 provided on the exit surface of this prism, converted into S-polarized light, and emitted. You. On the other hand, the S-polarized light is reflected by the polarizing beam splitter 8, reflected again in the original optical axis direction in the adjacent rhombic prism, and emitted as S-polarized light. Thereafter, the light is condensed on the liquid crystal display element 2 by the condenser lens 10. On the way, the light emitted from the polarizing beam splitter 8 has its optical path bent by 90 ° by the total reflection mirror 15 and B (blue) and G (green) reflection dichroic mirrors arranged at an angle of 45 ° with respect to the optical axis. By 16, R (red) light is transmitted, and B and G light are reflected. The transmitted R ray is bent at an angle of 90 ° by the R total reflection mirror 17, passes through the condenser lens 18 in front of the liquid crystal display element and the incident polarizer 11, and has a liquid crystal display element composed of a counter electrode, liquid crystal and the like. 2 and passes through an output polarizing plate 12 provided on the light output side of the liquid crystal display element 2.
[0020]
The liquid crystal display element 2 is provided with a number of liquid crystal display portions corresponding to the pixels to be displayed (for example, 800 pixels horizontally and 600 pixels vertically, each having three colors). Then, the polarization angle of each pixel of the liquid crystal display element 2 was changed in accordance with a signal driven from the outside, and finally the light in the direction coinciding with the polarization direction of the output polarizer 12 was emitted and became orthogonal. Light is absorbed by the output polarizer 12. The amount of light passing through the polarizing plate and the amount of light absorbed by the polarizing plate are determined by the relationship with the polarization angle of the output polarizing plate 12 for the light having the polarization at an intermediate angle. In this way, an image is projected according to a signal input from the outside.
The R light emitted from the output polarizing plate 12 is reflected by a dichroic prism 19 having an action of reflecting the R light, enters the projection unit 3 such as a zoom lens, and is projected on a screen.
[0021]
On the other hand, the B light beam and the G light beam transmitted through the B, G transmission dichroic prism 19 are incident on a G reflection dichroic mirror 20, and the G light is reflected by this mirror. The light passes through the liquid crystal display element 2 and passes through the output polarizing plate 12 provided on the light output side of the liquid crystal display element 2. The G light emitted from the output polarizing plate 12 passes through a dichroic prism 19 having a function of transmitting the G light, enters the projection lens 3, and is projected on a screen.
The B ray transmitted through the G reflection dichroic mirror 20 is transmitted through the relay lens 21, its optical path is bent by 90 ° by the total reflection mirror 22, and transmitted through the relay lens 21. It is bent and passes through the condenser lens 18 before the liquid crystal display element and the incident polarizer 11, enters the liquid crystal display element 2, and passes through the output polarizer 12 provided on the light output side of the liquid crystal display element 2. The B light emitted from the output polarizing plate 12 is reflected by a dichroic prism 19 having a function of reflecting the B light, and then enters the projection lens 3 and is projected on a screen.
[0022]
As described above, the light beams corresponding to R, G, and B are separated and combined by the color separating unit and the color combining unit, and the image on the liquid crystal display element 2 corresponding to each of R, G, and B is enlarged by the projection lens 3. The image of each color is synthesized on the screen to obtain an enlarged real image. In the same figure, the power supply circuit 24 and the video signal circuit 25 are arranged, and have the function of guiding the heat generated by the light source 1 to the outside by the blowing fan 26. Further, in this embodiment, since the outgoing light from the random light source is aligned in one direction by the polarization synthesizing means, heat generation of the incident polarizer is small.
[0023]
Further, the light source and the projection unit are arranged so that their respective optical axes are orthogonal to each other, and further via a color separation / combination unit including the color separation unit, the liquid crystal display element, and the color combination unit. By arranging the power supply circuit 24 and the video signal circuit 25 as shown in the figure, the size of the entire device can be reduced.
In the present embodiment, the first array lens 6 and the second array lens 7 of the present invention have the same shape, and the lateral dimension of one lens cell is the lateral dimension of the liquid crystal display element 2. The ratio is approximately 1 / 5.3 of the size. For example, when the rectangular diagonal size of the image display unit of the liquid crystal display element 2 is 0.9 ″, the first array lens 6 and the second array lens 7 The rectangular diagonal dimension of one lens cell is approximately 0.17 ″, and the total number of lens cells constituting the first array lens 6 and the second array lens 7 is about 240 cells or more. Since the lens focal length of one lens cell of one array lens 6 and the second array lens 7 is within 30 mm, the size of the optical system can be reduced. Further, individual images of approximately 240 cells or more overlap the liquid crystal display element 2, and a more uniform image quality than that of the conventional device can be obtained. Further, since the cell size is 0.17 ″, even when the shadow of the electrode wire 28 crosses the cell, the image quality can be made uniform as long as it is about 240 cells (about 16 × 15 cells) or more. In a projection-type liquid crystal display device, it is possible to simultaneously reduce the size of the entire device and improve performance such as brightness.
[0024]
Also, in order to improve the uniformity of brightness and image quality using a liquid crystal display device with a micro lens, it is necessary to set the F value of the illumination system to approximately 2 to 3, and even in this case, The distance between the first array lens and the second array lens of the present invention can be reduced to a distance of 30 mm or less, and downsizing of the optical system can be achieved.
[0025]
Furthermore, in the present invention, the polarization combining means is combined, and the thickness of the polarization beam splitter 8 as the polarization combining means is made thinner than the second array lens 7 (that is, the second array lens 7 is 2). In the case of about 0.5 ± 0.5 mm, the polarizing beam splitter 8 is set to 2 mm or less), whereby the optical path length can be shortened, and the total reflection mirror 15 can be arranged close, so that the set can be miniaturized. Become.
[0026]
In the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the illumination optical system includes a lamp unit 14, a first array lens 6, a second array lens 7, a polarizing beam splitter 8, a λ / 2 retardation plate 9, a condenser lens 10 , A total reflection mirror 15 and the like, and refers to an optical path before the light from the lamp 13 is separated into R, G, and B light. Further, the optical unit includes an illumination optical system, and further, the light from the illumination optical system is R, G, B using a B (blue), G (green) reflection dichroic mirror 16, a G reflection dichroic mirror 20, and the like. And a dichroic that separates the R, G, and B lights into the respective liquid crystal display elements 2, reflects the R and B lights, and transmits the G light. In some cases, it may refer to the optical path reaching the projection unit 3 via the prism 19.
[0027]
FIG. 3 is a diagram showing a partial effect of the first embodiment according to the present invention.
FIG. 3 shows an illumination optical system of the projection type liquid crystal display device. The light source 1 has a circular reflecting surface mirror 5 and the diameter set on one side of the lamp electrode in the reflecting surface mirror 5 is substantially equal to that of the lamp. It has an electrode wire 28 within 0.6 mm.
Light emitted from the light bulb of the light source 1 is condensed by an elliptical, parabolic, or aspherical reflector 5 and enters the first array lens 6. After passing through the first array lens 6, the light passes through the second array lens 7 and enters the polarization beam splitter 8. The incident light is separated into P-polarized light and the reflected light into S-polarized light by the polarization beam splitter 8, and the P-polarized light is separated by the λ / 2 phase difference plate 9 arranged on the emission side surface of the polarization beam splitter 8. The polarization direction is rotated by 90 °, becomes S-polarized light, and enters the condenser lens 10. The S-polarized light repeats reflection, exits from the exit surface of the adjacent polarization beam splitter 8, and enters the condenser lens 10. The condenser lens 10 has at least one or more lenses, has a positive refractive power, has an action of further condensing the S-polarized light, and the light passing through the condenser lens 10 irradiates the liquid crystal display element 2. I do.
[0028]
In FIG. 3, in the present embodiment, the first array lens 6 and the second array lens 7 of the present invention have the same shape, and the lateral dimension of one lens cell is equal to that of the liquid crystal display element 2. Is approximately 1 / 5.3 of the horizontal dimension of the first array lens 6 and the second array when the rectangular diagonal dimension of the image display section of the liquid crystal display element 2 is 0.9 ″. The rectangular diagonal dimension of one lens cell of the lens 7 is approximately 0.17 ″, and the total number of lens cells constituting the first array lens 6 and the second array lens 7 is 240 cells or more. (FIG. 3 is a schematic diagram) Since the lens focal length of one lens cell of the first array lens 6 and the second array lens 7 is within 30 mm, miniaturization of the optical system can be achieved. . Further, as shown by the dotted line in FIG. 3, individual images of 240 cells or more overlap the liquid crystal display element 2, and a more uniform image quality can be obtained than in the conventional device. In addition, since the cell size is 0.17 ", even when the shadow of the electrode wire 28 crosses the cell, if the cell is approximately 240 cells (approximately 16 × 15 cells) or more, the number of rows is 7 to 8 from one side, and the cell size is 0.17". Then, if six strip-shaped shadows of approximately 0.6 mm width are arranged, one cell size is obtained. If the cells have at least six rows on one side, the brightness caused by the shadow caused by the electrode wires 28 on the liquid crystal display element is obtained. This makes it possible to eliminate unevenness in color, thereby making the image quality uniform. In this case, since the electrode wires are present on one side on the left and right sides of the center of the optical axis, if the horizontal arrangement or the vertical arrangement of the array lenses allows 1 to 2 or more rows, at least 14 to 16 or more rows are required. Therefore, when the number of cells is about 240 cells or more, the shadow of the electrode wires within about 0.6 mm is reflected on the liquid crystal display element as shown by the oblique lines in the figure, and the brightness is uniform, and the image quality is uniform. Is obtained.
Therefore, in the projection-type liquid crystal display device, it is possible to simultaneously reduce the size of the entire device and improve the performance such as brightness. Further, since the first array lens 6 and the second array lens 7 have the same shape, only one type is required, and the cost can be reduced.
[0029]
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment according to the present invention.
The polarizing beam splitter 8 in FIG. 4 has a configuration in which a polarizing beam splitter film for separating the P-polarized light and the S-polarized light of light is attached to a glass plate material, which is adhered to a laminate and sliced at 45 °. . For this reason, as shown in FIG. 4, it has a plate-like configuration in which several vertically elongated rhombic prisms are arranged. For this film formation, mirror deposition of aluminum or silver may be performed on every other surface. However, since this mirror part plays the role of reflecting S-polarized light, it is necessary to take measures to prevent light from entering this prism optical path.
[0030]
For this reason, the polarization beam splitter 8 of the present invention is arranged so that the optical axis incident surface of the S-polarized light reflecting prism located at the center of the pitch of the lens optical axes of each of the second array lenses 7, that is, the second array lens 7 A light shielding member 27 is added to the side surface to prevent heat generated when unnecessary light is cut and absorbed by the incident polarizer 11 to convert energy from light to heat. This light-shielding member 27 is a slit-like reflective film formed by depositing a silver or aluminum vapor-deposited film, or a ground glass-like divergent film, a light-shielding metal seal, a heat-resistant seal, or a metal plate with slits, or It is composed of metal plating or the like.
[0031]
In the plate-like configuration in which several polarizing beam splitters 8 are arranged as described above, the λ / 2 retardation plate 9 is attached every other row, and the separated P-polarized light is converted into S-polarized light. After the light emitted from the polarization beam splitter 8 is aligned with the S-polarized light, or after the separated S-polarized light is reflected and emitted from the prism adjacent to the incident prism, the λ / 2 retardation plate 9 It is also possible to align the output light of the polarization beam splitter 8 with P-polarized light.
[0032]
A plurality of the rhombic prisms of the above-mentioned plate-shaped polarizing beam splitter 8 are arranged so as to be adapted to the pitch in the horizontal arrangement direction of the optical axis of each lens of the second array lens 7, and the second array The second array lens 7 is divided into left and right or upper and lower halves by leaving a gap at the center of the lens 7, for example, a gap h having a half width of the optical axis pitch, and is symmetrical about the center. Then, when the polarizing beam splitter 8 and another sheet of the same polarizing beam splitter 8 are bonded in a state of being inverted by 180 ° about the optical axis, the light shielding member 27 provided on the second array lens 7 is polarized. The second array lens 7, the light shielding member 27, and the polarizing beam splitter 8 can be accurately attached to the pitch in the horizontal arrangement direction of the beam splitter 8, which is difficult to manufacture. Fast-growing can be achieved.
[0033]
Conventionally, as shown in FIG. 4 (b), a symmetrical plate-shaped polarizing beam splitter 8 is prepared by a manufacturer, and the interface between the polarizing beam splitter 8 and the optical components of the second array lens 7 is an air layer. In this case, even if an anti-reflection film is applied to the interface, the light transmission efficiency is reduced. Therefore, the polarization beam splitter 8 and the second array lens 7 are connected to each lens optical axis and the side of the polarization beam splitter 8. The configuration was such that bonding was performed by adjusting the pitch in the arrangement direction. At this time, a slit-shaped light shielding plate for cutting unnecessary light is disposed in front of the second array lens 7, that is, on the light source side, and before entering the polarization beam splitter 8, an unnecessary light component, that is, a hatched portion in FIG. It was configured to shield light. However, in this case, the light shielding member 27 is a structural member such as a metal plate provided with a slit, and has to support this light shielding member independently of the optical axis.
For this reason, due to the component accuracy error and the assembly accuracy error of the light-shielding member 27, the required light is blocked, and the number of components increases during the assembling.
[0034]
However, in the present invention, the polarizing beam splitter 8 is bonded to the second array lens 7 provided with the light shielding member 27 in a symmetrical manner with the center as a boundary, and the light shielding member is formed by a vapor deposition film or the like. The light incident surface of the prism can be shielded with almost no error, the number of parts is small, and the assemblability is improved.
Furthermore, according to the present invention, a two-stage processing step of bonding a second-order array lens 7 after forming a symmetrical flat polarizing beam splitter 8 as in the related art by a maker and not attaching the same to a second array lens 7 is performed. The polarizing beam splitter 8 is bonded to the second array lens 7 in a one-step processing step, so that the processing cost can be reduced.
[0035]
Further, since the conventional polarizing beam splitter 8 is integrated right and left, the bonding accuracy is stacked from the left end to the right end, and when bonding to the second array lens 7, the center distribution is performed. 0.25 appears on both the left and right sides.
However, according to the present invention, since the polarizing beam splitter 8 is bonded to the second array lens 7 provided with the left and right separate light blocking members 27, the accuracy error from the center does not accumulate, and the left polarizing beam splitter does not accumulate. Numeral 8 can set the lens optical axis in the center on the left side or the left half on the second array lens 7 having a large amount of light as the center of accuracy distribution. The bonding accuracy error is suppressed. Similarly, when the right polarizing beam splitter 8 is bonded to the second array lens 7, there is also an effect that the bonding accuracy error can be reduced to half as in the case of the left side. Thereby, the displacement of the optical axis due to the bonding error of the polarizing beam splitter 8 having a half width of the lens optical axis pitch of the second lens array 7 is reduced, and the incident light from the second array lens 7 is The vignetting light amount is reduced by the splitter 8. As a result, the light transmission efficiency is improved, and the performance of the brightness can be improved.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, the projection-type image display device of the present invention can achieve a miniaturized optical system, and has the effect of reducing the size of the entire device to an A4 file size or less. Further, also in an optical system using a polarizing beam splitter, it is possible to perform alignment with an array lens in terms of accuracy, and it is possible to simultaneously realize a reduction in size of the apparatus and an improvement in performance such as brightness.
Further, when the cell size is about 0.18 ″ or less and the number of cells is about 240 cells or more, it is possible to prevent the shadow of the electrode wires from being reflected on the liquid crystal display element, and to obtain uniform image quality.
Further, in the configuration in which the light shielding member is provided, unnecessary light is cut off by this, and heat generation can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a projection type liquid crystal display device showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an effect of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... Video display element, 3 ... Projection lens, 5 ... Reflector, 6 ... First array lens, 7 ... Second array lens, 8 ... Polarization beam splitter, 9 ... λ / 2 phase difference plate, 10: condenser lens, 11: incident polarizing plate, 12: output polarizing plate, 27: light shielding member, 28: electrode wire.

Claims

光を放射する光源と、該光源の出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子と、該映像表示素子の上に照射させる作用を有する照明光学系と、該映像表示素子から出射した光を投射する投射手段とで構成される光学ユニットであって、
矩形ないし円形ないし多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射面鏡と、
該反射面鏡内でランプ電極に設置された電極ワイヤを有する光源と、
前記出射開口と略同等サイズ内に設けられた複数の集光レンズと、
前記光源から出射した光を集光して複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズと、
前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置されて映像表示素子に第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズとを有し、
電極ワイヤの直径幅をａ、前記第一のアレイレンズの１つのセルの縦幅と横幅の何れかのサイズ幅をｂとしたとき、前記第一のアレイレンズのセルを（２ｂ／ａ）列以上の横配列あるいは縦配列とすることを特徴とする光学ユニット。A light source that emits light, an image display element that is a light valve means that forms an optical image corresponding to an image signal with light emitted from the light source, and an illumination optical system that has an action of irradiating the light onto the image display element. An optical unit comprising: a projection unit that projects light emitted from the image display element,
At least one reflecting mirror having a rectangular or circular or polygonal exit aperture;
A light source having an electrode wire located on the lamp electrode within the reflecting mirror;
A plurality of condenser lenses provided within a size substantially equal to the exit aperture,
A first array lens for condensing light emitted from the light source to form a plurality of secondary light source images,
A second array lens that is arranged in the vicinity where the plurality of secondary light source images are formed and forms an individual lens image of the first array lens on a video display element,
When the diameter width of the electrode wire is a and the size width of one of the vertical width and the horizontal width of one cell of the first array lens is b, the cells of the first array lens are (2b / a) rows. An optical unit characterized by the horizontal or vertical arrangement described above.

光を放射する光源と、該光源の出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ手段である映像表示素子と、該映像表示素子の上に照射させる作用を有する照明光学系と、該映像表示素子から出射した光を投射する投射手段と、該投射手段からの投射光を表示する表示手段とで構成される投射型表示装置であって、
矩形ないし円形ないし多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射面鏡と、
該反射面鏡内でランプ電極に設置された電極ワイヤを有する光源と、
前記出射開口と略同等サイズ内に設けられた複数の集光レンズと、
前記光源から出射した光を集光して複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズと、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置されて映像表示素子に第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズとを有し、
電極ワイヤの直径幅をａ、前記第一のアレイレンズの１つのセルの縦幅と横幅の何れかのサイズ幅をｂとしたとき、前記第一のアレイレンズのセルを（２ｂ／ａ）列以上の横配列あるいは縦配列とすることを特徴とする投射型表示装置。A light source that emits light, an image display element that is a light valve means that forms an optical image corresponding to an image signal with light emitted from the light source, and an illumination optical system that has an action of irradiating the light onto the image display element. A projection type display device comprising projection means for projecting light emitted from the video display element, and display means for displaying projection light from the projection means,
At least one reflecting mirror having a rectangular or circular or polygonal exit aperture;
A light source having an electrode wire located on the lamp electrode within the reflecting mirror;
A plurality of condenser lenses provided within a size substantially equal to the exit aperture,
A first array lens for condensing light emitted from the light source to form a plurality of secondary light source images, and a first array lens disposed near the plurality of secondary light source images to be formed on a video display element; A second array lens for imaging individual lens images of one array lens,
When the diameter width of the electrode wire is a and the size width of one of the vertical width and the horizontal width of one cell of the first array lens is b, the cells of the first array lens are (2b / a) rows. A projection display device characterized by the horizontal or vertical arrangement described above.