JP2014174355A - 光学系およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高コントラストの画像を投影すること
【解決手段】光学系は、P偏光光を透過し、S偏光光を反射する偏光分離素子7と、青の色光を透過し、それ以外の色光を反射する第1の色分離面9aを有する第1のダイクロイックプリズム9と、偏光分離素子7と第1のダイクロイックプリズム9の間に配置された位相差板8と、を有し、位相差板の光学軸は、第1のダイクロイックプリズム9の第1の色分離面9aの法線と反射型液晶表示素子13Gの入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ反射型液晶表示素子13Gの入出射面の法線に対して傾いている。
【選択図】図2
【解決手段】光学系は、P偏光光を透過し、S偏光光を反射する偏光分離素子7と、青の色光を透過し、それ以外の色光を反射する第1の色分離面9aを有する第1のダイクロイックプリズム9と、偏光分離素子7と第1のダイクロイックプリズム9の間に配置された位相差板8と、を有し、位相差板の光学軸は、第1のダイクロイックプリズム9の第1の色分離面9aの法線と反射型液晶表示素子13Gの入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ反射型液晶表示素子13Gの入出射面の法線に対して傾いている。
【選択図】図2
Description
本発明は、光学系およびそれを用いた投射型表示装置に関する。
特許文献1、2は、偏光分離素子の後に3つの色光の分離と合成を行うダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリズム、3枚の反射型液晶表示素子を有する投射型表示装置ものを提案している。
しかしながら、特許文献1、2の構成は、色分離面または色合成面として機能するダイクロイック膜の実際の偏光軸の方向は入射光の偏光方向からずれているため、ダイクロイック膜を通過した光は楕円偏光になって投射画像のコントラストの低下を招く。
本発明は、高コントラストの画像を投影することが可能な光学系およびそれを用いた投射型表示装置を提供することを例示的な目的とする。
本発明の光学系は、色光を変調して反射する画像変調素子と、第1の偏光光を透過し、前記第1の偏光光と直交する第2の偏光光を反射する偏光分離手段と、第1の色光を透過し、前記第1の色光とは波長領域が異なる第2の色光を反射する第1の色分離面を有する第1の色分離手段と、前記偏光分離手段と前記色分離手段の間に配置された第1の位相差板と、を有し、前記第1の位相差板の光学軸は、前記第1の色分離手段の前記第1の色分離面の法線と前記画像変調素子の入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ前記画像変調素子の前記入出射面の法線に対して傾いていることを特徴とする。
本発明によれば、高コントラストの画像を投影することが可能な光学系およびそれを用いた投射型表示装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1は、実施例1の投射型表示装置(画像投射装置、投射型表示装置)のブロック図である。投射型表示装置は、光源部と、照明光学系と、色分離合成光学系と、投射レンズ(投射光学系)14を有する。
光源部は、光源1と放物面リフレクタ2からなり、光源(ランプの発光部)1から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ2によって略平行光となって射出される。本実施例の光源1は超高圧水銀ランプであるが、それに限られず、LEDやレーザー光源を用いてもよい。
照明光学系は、画像変調手段(反射型液晶表示素子、反射型液晶パネル)を照明し、UV−IR(紫外光・赤外光)カットフィルタ3、第1のレンズアレイ4、第2のレンズアレイ5、コンデンサーレンズ6を有する。
放物面リフレクタ2からの平行光束は、UV−IRカットフィルタ3に入射し、第1のレンズアレイ4によって複数の部分光束に分割され、その各々の部分光束が集光される。各分割光束は第2のレンズアレイ5の近傍に集光され、各部分光束がそれぞれ光源像(2次光源像)を形成する。第2のレンズアレイ5を射出した分割光束は、コンデンサーレンズ6によって集光され、反射型液晶表示素子13を重畳的に照明する。
色分離合成光学系は、入射光を複数の色成分に分光し、各色成分の光(色光)を映像信号に応じて変調して反射し、光変調された色成分の光を合成する。色分離合成光学系は、偏光分離素子7、位相差板8、第1のダイクロイックプリズム9、第2のダイクロイックプリズム10、プリズム11、光変調手段を有する。
偏光分離素子7はP偏光光(第1の偏光光)を透過し、S偏光光(第2の偏光光)を反射する特性を有する偏光分離面を有する偏光分離手段であり、ワイヤーグリッド等で構成される。これにより、照明光はP偏光光に揃えられる。第1の偏光光と第2の偏光光は偏光方向が直交する。
偏光分離素子7を透過したP偏光光は位相差板(第1の位相差板)8に入射し、第1の色分離面を有する第1のダイクロイックプリズム(第1の色分離手段)9に入射する。第1のダイクロイックミラー9の第1の色分離面9aは、青帯域(B)の色光(第1の色光)を反射し、赤帯域(R)の色光と緑帯域(G)の色光(これらを合わせて第2の色光)を透過する。Rの色光(第3の色光)、Gの色光(第4の色光)、Bの色光は波長領域がそれぞれ異なる。
従来は位相差板8が設けられておらず、第1のダイクロイックプリズム9の色分離面9aに入射する図3(b)に示す光線a〜iの偏光方向は図4(a)に示すものであり、図4(c)に示す光線a〜iと色分離面からなるP偏光方向とは一致しなかった。この結果、色分離面9aを通過した光線は、色分離面9aで発生するS偏光光とP偏光光の位相差の影響を受けて、図4(d)に示すように、楕円偏光となり、投射画像のコントラストが低下する原因となっていた。
一方、本実施例では、位相差板8は、図2に示すように、光学軸が第1のダイクロイックプリズム9の色分離面の法線と後述する反射型画像表示素子の入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ反射型画像表示素子13の入出射面の法線に対して傾いている。これにより、位相差板8を通過した、図3(a)に示す光線a〜iの偏光方向は、図4(a)から図4(b)に示すように変化する。この結果、位相差板8を通過した光線a〜iの偏光方向は、図4(c)に示す光線a〜iと色分離面9aからなるP偏光方向と略一致し、楕円偏光ならないため、コントラストの低下を防止することができる。
第1のダイクロイックプリズム9で反射した青色光は、プリズム11と1/4波長板12Bを透過し、反射型画像表示素子13Bに入射する。被投射面の背景色を黒にする黒表示の場合は、反射型画像表示素子13Bによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板12B、プリズム11を透過し、第1のダイクロイックプリズム9を反射する。
第2の位相差板として機能する1/4波長板の役割を以下に説明する。例えば、図3(a)に示す光線aは、反射型画像表示素子13R、13G、13Bを反射後、第1のダイクロイックプリズム9の色分離面に対してはi方向の光線となる。そのため、図4(c)に示すように、光線aの偏光方向のままではi方向の光線の偏光方向に対してずれが生じ、コントラストの低下を招いてしまう。
そこで、1/4波長板を2回透過することでiに対する偏光方向に略一致するよう変換している。第1のダイクロイックプリズム9によって反射されたP偏光光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。被投射面の背景色を白にする白表示の場合は、反射型画像表示素子13BによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板12B、プリズム11を透過し、第1のダイクロイックプリズム9を反射する。その後、位相差板8を透過、偏光分離素子7によって反射され、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
光変調手段は、各色成分の光(色光)を映像信号に応じて変調して反射し、赤用の反射型液晶表示素子13R、緑用の反射型液晶表示素子13G、青用の反射型液晶表示素子13Bから構成される。各液晶表示素子は画像変調素子(液晶パネル)として機能する。12R、12G、12Bはそれぞれ、赤用の1/4波長板(1/4λ板)、緑用の1/4波長板、青用の1/4波長板である。赤用の1/4波長板12Rは、第2のダイクロイックプリズム10と赤用の反射型液晶表示素子13Rとの間に配置される。緑用の1/4波長板12Gは、第2のダイクロイックプリズム10と緑用の反射型液晶表示素子13Gとの間に配置される。青用の1/4波長板12Bは、プリズム11と青用の反射型液晶表示素子13Bとの間に配置される。
投射レンズ14は、不図示の被投射面に偏光分離素子7からの光を投射する投射手段(投射光学系)である。
第1のダイクロイックプリズム9を透過した緑色光は、緑帯域の光を透過し、赤帯域の光を反射する第2の色分離面を有する第2のダイクロイックプリズム(第2の色分離手段)10を透過する。その後、1/4波長板12Gを透過し、反射型画像表示素子13Gに入射する。第2のダイクロイックプリズム10の色分離面10aの法線は第1のダイクロイックプリズム9の色分離面9aの法線と略平行であることが望ましい。
位相差板8による偏光方向の変換によって第1のダイクロイックプリズム9の色分離面9aでの効果と同様の効果が得られ、コントラストの低下を防止することができる。反射型画像表示素子13Gが黒表示の場合は、反射型画像表示素子13Gによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板12G、第2のダイクロイックプリズム10を透過し、第1のダイクロイックプリズム9を透過する。第1のダイクロイックプリズム9を透過した光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。一方、反射型画像表示素子13Gが白表示の場合は、反射型画像表示素子13GによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板12G、ダイクロイックプリズムB10を透過し、第1のダイクロイックプリズム9を透過する。その後、位相差板8を透過し、偏光分離素子7によって反射され、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
第1のダイクロイックプリズム9を透過した赤色光は、緑帯域の光を透過し、赤帯域の光を反射する第2のダイクロイックプリズム10によって反射される。その後、1/4波長板12Rを透過し、反射型画像表示素子13Rに入射する。反射型画像表示素子13Rが黒表示の場合は、反射型画像表示素子13Rによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板12Rを透過、第2のダイクロイックプリズム10によって反射され、第1のダイクロイックプリズム9を透過する。第1のダイクロイックプリズム9を透過した光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。一方、反射型画像表示素子13Rが白表示の場合は、反射型画像表示素子13RによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板12Rを透過し、ダイクロイックプリズムB10によって反射され、第1のダイクロイックプリズム9を透過する。その後、位相差板8を透過し、偏光分離素子7によって反射され、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
図5は、実施例2の投射型表示装置のブロック図である。実施例2は、3枚の画像表示素子ではなく、2枚の画像表示素子で交際された時分割方式の表示装置である。光源1からコンデンサーレンズ6までは第1実施例と同じ構成であるため、説明は省略する。
コンデンサーレンズ6を透過した光はカラーフィルタ21を透過後、偏光分離素子7に入射する。カラーフィルタ21は、図6に示す構成を有して不図示の回転手段によって回転されるため、ある時間帯はイエロー(赤帯域と緑帯域)、ある時間帯はマゼンタ(赤帯域と青帯域)の光が偏光分離素子7に入射する。偏光分離素子7と位相差板8も実施例1と同様である。
偏光分離素子7を透過したP偏光光は、位相差板8に入射し、赤帯域の光(第1の色光)を透過し、青と緑帯域の光(第2の色光)を反射する色分離面22aを有する第3のダイクロイックプリズム22に入射する。
第3のダイクロイックプリズム22にイエロー(赤と緑帯域)の光が入射した場合、イエローの光のうち緑帯域の光(第2の色光)は、第3のダイクロイックプリズム22によって反射され、1/4波長板23BGを透過し、反射型画像表示素子24BGに入射する。反射型画像表示素子24BGが黒表示の場合は、反射型画像表示素子24BGによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板23BGを透過し、第3のダイクロイックプリズム22を反射する。1/4波長板の役割は実施例1と同様である。第3のダイクロイックプリズム22によって反射された光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子24BGが白表示の場合は、反射型画像表示素子24BGによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板23BGを透過し、第3のダイクロイックプリズム22を反射する。その後、位相差板8を透過し、偏光分離素子7によって反射され、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
第3のダイクロイックプリズム22にイエローの光が入射した場合、第3のダイクロイックプリズム22を透過した赤色光(第1の色光)は、1/4波長板23Rを透過し、反射型画像表示素子24Rに入射する。反射型画像表示素子24Rが黒表示の場合は、反射型画像表示素子24Rによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板23R、第3のダイクロイックプリズム22を透過する。第3のダイクロイックプリズム22を透過した光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子24Rが白表示の場合は、反射型画像表示素子24RによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板23R、第3のダイクロイックプリズム22を透過する。その後、位相差板8を透過し、偏光分離素子7によって反射され、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
第3のダイクロイックプリズム22にマゼンタ(赤と青帯域)の光が入射した場合、マゼンタの光のうち青帯域の光(第2の色光)は、第3のダイクロイックプリズム22によって反射され、1/4波長板23BGを透過し、反射型画像表示素子24BGに入射する。反射型画像表示素子24BGが黒表示の場合は、反射型画像表示素子24BGによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板23BGを透過し、第3のダイクロイックプリズム22によって反射される。第3のダイクロイックプリズム22によって反射された光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子24BGが白表示の場合は、反射型画像表示素子24BGによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板23BGを透過し、第3のダイクロイックプリズム22を反射する。その後、位相差板8を透過し、偏光分離素子7によって反射され、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
第3のダイクロイックプリズム22にマゼンタの光が入射した場合、第3のダイクロイックプリズム22を透過した赤色光(第1の色光)は、1/4波長板23Rを透過し、反射型画像表示素子24Rに入射する。反射型画像表示素子24Rが黒表示の場合は、反射型画像表示素子24Rによって画像変調されずにP偏光光のまま反射され、1/4波長板23R、第3のダイクロイックプリズム22を透過する。第3のダイクロイックプリズム22を透過した光は、位相差板8を透過すると、偏光方向が図4(e)から図4(f)に示すように変化し、偏光分離素子7を透過して光源側に戻される。反射型画像表示素子24Rが白表示の場合は、反射型画像表示素子24RによってS偏光光に画像変調されて反射され、1/4波長板23R、第3のダイクロイックプリズム22を透過する。その後、位相差板8を透過し、偏光分離素子7で反射し、投射レンズ14を介して被投射面に表示される。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、画像表示素子は限定されず、第2の位相差板は1/4波長板に限定されない。色分離手段は、ダイクロイックミラーなどダイクロイックプリズムに限定されない。
投射型表示装置は、液晶プロジェクタの用途に適用することができる。
7…偏光分離素子(偏光分離手段)、8…位相差板(第1の位相差板)、9…第1のダイクロイックプリズム(第1の色分離手段)、9a…第1の色分離面、13G、13R、13B…反射型液晶表示素子(画像変調素子)、14…投射レンズ(投射手段)
Claims (7)
- 色光を変調して反射する画像変調素子と、
第1の偏光光を透過し、前記第1の偏光光と直交する第2の偏光光を反射する偏光分離手段と、
第1の色光を透過し、前記第1の色光とは波長領域が異なる第2の色光を反射する第1の色分離面を有する第1の色分離手段と、
前記偏光分離手段と前記色分離手段の間に配置された第1の位相差板と、
を有し、
前記第1の位相差板の光学軸は、前記第1の色分離手段の前記第1の色分離面の法線と前記画像変調素子の入出射面の法線の両方を含む面内にあり、かつ前記画像変調素子の前記入出射面の法線に対して傾いていることを特徴とする光学系。 - 前記第1の色分離手段と前記画像変調素子との間に配置された第2の位相差板を更に有することを特徴とする請求項1に記載の光学系。
- 前記第2の位相差板は1/4波長板であることを特徴とする請求項2に記載の光学系。
- 第3の色光を透過し、前記第3の色光とは波長領域が異なる第4の色光を反射する第2の色分離面を有する第2の色分離手段と、
前記第1の色分離手段の前記第1の色分離面の法線と前記第2の色分離手段の前記第2の色分離面の法線は互いに平行であることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の光学系。 - 前記偏光分離手段は偏光分離面を有し、該偏光分離面に対して、前記第1の偏光光はP偏光光であり、前記第2の偏光光はS偏光光であることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載の光学系。
- 前記偏光分離手段は、前記画像変調素子によって変調されて反射された前記第2の偏光光を投射手段に反射し、前記投射手段は前記第2の偏光光を被投射面に投射することを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれか1項に記載の光学系。
- 請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載の光学系を有することを特徴とする投射型表示装置。
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