JP3205693B2 - 光学素子およびこれを備えた投写型液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光源からの光を高効
率に利用し、照度の均一性が高い照射光を与える光学素
子と、該光学素子を用いた投写型液晶表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルで形成した映像をスクリーン
等に投写表示する投写型液晶表示装置（以下、液晶プロ
ジェクタと称す）の液晶パネルには、分散型液晶を用い
た反射型液晶パネルが知られている。この一例としては
特開平４−１９４９２１号公報の図１に示されているよ
うに、開口絞りとミラーを備え、光源からの照射光をミ
ラーを介して液晶パネルに照射し、液晶パネルからの反
射光を開口絞りを介して投写レンズによりスクリーン上
に投写する、いわゆるシュリーレン光学系を構成したも
のがある。

【０００３】こうした液晶プロジェクタは、ＴＮ（ツイ
ストネマティック）型の液晶パネルを使用したものに比
べて、偏光板を必要としないのでスクリーン上でより明
るい画像が得られる。また、透過型の液晶パネルに比べ
て光学系を小型化できると云う利点もある。

【０００４】ところで、液晶プロジェクタにおいては、
光源光を高効率で利用することと、スクリーン上での照
度むらを低減することが重要となる。

【０００５】光源光の利用効率の向上とスクリーン上で
の照度むらの改善手段としては、２枚のレンズアレイか
ら構成されるインテグレータが知られおり、特開平３−
１１１８０６号公報にこのインテグレータ光学系を用い
た液晶プロジェクタの構成が述べられている。

【０００６】前記インテグレータは、光源からの光束を
第１のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第２
レンズアレイによりこれらの光束を拡大しながら液晶パ
ネルの表示領域に重畳結像させるものである。

【０００７】この方法では、分割後の照度むらが小さい
光束を重畳するため均一性の高い照射光が得られ、スク
リーン上での照度むらが大幅に改善される。また、第１
レンズアレイの各開口を液晶パネルの表示領域と相似の
矩形とすれば、分割後の光束は表示領域にもれなく照射
されるため照射光の効率が向上し、光源光の利用効率を
向上することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記インテグ
レータを使用した場合は、第２のレンズアレイが見かけ
上、大きな光源となり光束の平行性が劣化してしまう。
そのため、液晶パネルに入射した光束を全て投写利用し
ようとすると、かなり大きい投写レンズが必要となり、
その結果、プロジェクタが大型化してコストアップにつ
ながる。

【０００９】さらに、前記のシュリーレン光学系を構成
するプロジェクタでは、液晶パネルに入射する光束の平
行性が劣化した場合、光源光を高効率で利用しようとす
ると開口絞りの径を十分に大きく、即ち、Ｆ値を小さく
する設定する必要がある。しかし、Ｆ値を小さくすると
実用上必要なコントラストが実現できなくなると云う問
題が生じる。

【００１０】本発明の目的は、光束の平行性を損なうこ
となく光源光を高効率に利用し、照度の均一性が高い照
射光が得られる光学素子を提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、より明るく高
品位な投写画像が得られる上記光学素子を備えた液晶プ
ロジェクタを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。

【００１３】光源からの入射光束を受け、該光束を照射
対象面へ出射する光学素子であって、前記光源からの出
射光束の断面を２分割する光束分割手段と、２分割した
２つの光束をそれぞれ透過光と反射光に２分する光束分
離手段と、前記光束分割手段と光束分離手段とにより分
割，分離された４つの光束を照射対象へ合成出射する光
束合成手段を備えており、前記分割，分離された４つの
出射光束のうち２つの光束による合成光束の断面形状
が、前記入射光束の断面形状とほぼ同一形状の出射光束
を形成し、他の２つの光束による合成光束の断面形状
が、前記入射光束の断面形状を２分割した光束を上下ま
たは左右に反転し合成した形状の出射光束を形成し、前
記照射対象面上において前記の４つの光束が合成される
よう構成されていることを特徴とする光学素子にある。

【００１４】また、上記光学素子は、同一形状の第１の
全反射面と第２の全反射面と、入射光束を反射光と透過
光に分離する光束分離面を備えており、上記第１，第２
の全反射面と光束分離面とは互いに平行で、かつ、第
１，第２の全反射面の反射面が光束分離面を挟んで互い
に対向して配置されており、これらは上記入射光束の光
軸に対し、４５度の角度に設定されており、第１，第２
の全反射面と光束分離面は、ほぼ平行に入射する入射光
束に対して、互いに他の面の影とならず、かつ、入射光
束が各面間から洩れないよう構成されている。

【００１５】また、本発明の他の光学素子は、同一平面
上に隙間無く併設した同一形状の第１の全反射面および
第２の全反射面（または、第１，第２の全反射面が一枚
の全反射面で構成されていてもよい）と、入射光束を反
射光と透過光に分離する第１，第２の全反射面と同一形
状の光束分離面を備え、第１，第２の全反射面と光束分
離面とは互いに平行で、かつ、入射光束の光軸に対して
４５度の角度に設定されており、第１，第２の全反射面
と光束分離面は、ほぼ平行に入射する入射光束の半分が
直接光束分離面に、残りの半分が第１の全反射面に入射
し、第２の全反射面には入射光束が直接入射しないよう
に構成されている。

【００１６】また、本発明の投写型液晶表示装置は、前
記光学素子を光源から液晶ライトバルブ（液晶パネル）
へ至る光の通路の途中に配置し、前記光源から出射して
前記光学素子へ入射し、光学素子から出射した光束を液
晶ライドバルブへの照射光とするよう構成されている。

【００１７】

【発明の実施の形態】図２に示すように、本発明の光学
素子１は，光源から本光学素子への入射光束（１１）
は、第１の全反射面（６）に入射する第１光束（１１
ａ）と、直接光束分離面（４）に入射する第２光束（１
１ｂ）とに２分割するように構成されている。

【００１８】第１の全反射面（６）に入射した第１光束
（１１ａ）は、第１の全反射面（６）で反射され、光束
分離面（４）に入射し、第３の光束（光束分離面での反
射光束１３ａ）と第４の光束（光束分離面での透過光束
１２ａ）に分離される。第３の光束はそのまま光学素子
１から出射されるが、第４の光束は第２の全反射面
（７）で反射された後、第３の光束と同じ方向へ出射す
る。

【００１９】一方、直接、光束分離面（４）に入射した
第２の光束（１１ｂ）は、光束分離面（４）によりて、
第５の光束（光束分離面での透過光束１２ｂ）と第６の
光束（光束分離面での反射光束１３ｂ）とに分離され、
第５の光束はそのまま第３の光束と同じ方向へ出射し、
第６の光束は第２の全反射面（７）で反射された後、第
４の光束と同じ方向へ出射する。

【００２０】このとき、光源からの入射光束（１１）の
断面が円形であるとすると、図３のように第１，第２の
光束はそれぞれ線対称の半円形となる。

【００２１】一方、光学素子の光束分離面（４）におい
て透過光束と反射光束とに分離された光束の断面形状も
同様に半円形となる。但し、光学素子を経た合成光束１
４の断面形状は、第３〜第６の４つの半円形を合成した
形状、即ち、線対称にある２つの半円形の弦の部分で接
する入射光束と同じ形状の円形部と、線対称にある２つ
の半円形の円弧の中央部で接するように並べた２つの半
円形とを重畳した形状となる。

【００２２】光源からの出射光束をそのまま照射した場
合、照射光の中心部の照度が周辺部の照度に比べて高く
なるが、本発明の光学素子を用いることにより、入射光
束は４つの光束に分割、分離され、照度のピークをずら
して合成されるため照射面において、より均一な照射光
を得ることができる。

【００２３】さらに本光学素子はレンズを用いず、互い
に平行に配置された全反射面と光束分離面によって入射
光束の分割，分離および合成を行なうので光束の平行性
を劣化することがない。

【００２４】本光学素子とシュリーレン光学系を用いて
構成した液晶プロジェクタは、明るく、均一な画像をス
クリーン上に形成することができる。

【００２５】以下、本発明のさらに具体的な実施例を図
面を用いて詳細に説明する。

【００２６】〔実施例 １〕図１は本発明の光学素子の
一実施例を示す模式斜視図である。

【００２７】この光学素子１は底面が直角二等辺三角形
である三角柱状の全反射プリズム３および５と、該全反
射プリズム３，５の底面の直角二等辺三角形の等辺と等
しい長さの辺を有する正方形の底面を持つ直方体状のビ
ームスプリッタプリズム２を接合して構成される。その
ため光学素子１の形状はその底面が平行四辺形である四
角柱状をなしている。なお、底面の平行四辺形は、その
内角が４５度と１３５度、辺の比が２：√２となってい
る。

【００２８】また、上記ビームスプリッタプリズム２
は、２つの同じ形をした底面の形状が直角二等辺三角で
ある三角柱状プリズムの斜面同士を接合したもので、接
合面には光学多層薄膜により、光束分離面４が形成され
ている。

【００２９】また、この光束分離面４に偏光膜を形成す
ることにより、偏光ビームスプリッタを構成することも
できる。

【００３０】上記全反射プリズム３，５の光学素子１内
に向いた面は、全反射ミラー面６，７となっており、ビ
ームスプリッタプリズム２の光束分離面４と互いに平行
な位置関係にある。

【００３１】なお、図１では全反射ミラー面６，７と光
束分離面４の形状は等しく構成されているが、入射光束
の断面形状に合わせてその形状を変えることもできる。

【００３２】全反射プリズム３，５や、ビームスプリッ
タプリズム２を形成する硝材としては、一般に広く用い
られている光学ガラスＢＫ−７を使用する。もし、入射
白色光に対して消光比性能の優れた偏光ビームスプリッ
タを得ようとする場合は、ＢＫ−７より屈折率の大きい
硝材を使用すればよい。

【００３３】また、低価格の偏光ビームスプリッタを得
るためには、レターデーション（複屈折の位相差）が小
さいＰＭＭＡ（Ｐoly Ｍethyl Ｍethacrylate）等の光
学プラスチックを使用してもよい。その際は、光学プラ
スチックに直接、光学多層薄膜を形成すると、膜張力に
より膜の剥離が生じ易いのであまり層数を多くできな
い。そこで、予め薄い硝子板に光学多層薄膜を形成し、
これを光学プラスチックで挟んで偏光ビームスプリッタ
を作製するのがよい。

【００３４】なお、本光学素子１を液晶プロジェクタ等
の光学系として用いる場合は、その表面形状は波長オー
ダーと云った高精度のものは要求されない。さらにビー
ムスプリッタプリズム２は、後述するように必ずしも偏
光ビームスプリッタでなくともよい場合は、比較的安価
に製造することができる。

【００３５】次に、図２および図３を用いて本発明の光
学素子１の動作を説明する。図２は光学素子１を上から
見た模式断面図であり、図３は説明のため光の状態を加
えた模式斜視図である。

【００３６】図２（ａ）（ｂ）に示すように光学素子１
に平行状態で入射する入射光束１１ａおよび１１ｂの光
軸に対して、全反射ミラー面６，７と光束分離面４が４
５度の角度をなしており、さらに、入射光束１１に対し
て互いに他の面が影にならないよう、かつ、面と面の間
を入射光がすり抜けないように配置されている。この場
合の各面間の間隔は、図２（ｂ）に示すように全反射ミ
ラー面６，７（あるいは光束分離面４）の各辺の長さを
ＬとするとＬ／２となるよう構成されている。

【００３７】また、光学素子１は入射光束１１の半分の
入射光束１１ａが直接全反射ミラー面６に、残りの半分
の入射光束１１ｂが直接光束分離面４に入射するように
配置されている。そのため、入射光束１１は光束１１ａ
と光束１１ｂに２分割される。

【００３８】上記入射光束の断面が円形の場合、光学素
子１の入射部が、図３に示すように入射光束１１の断面
に外接する正方形とすると、入射光束１１ａは、図２
（ａ）に示すように全反射ミラー面６で反射され、光束
分離面４へ向い、光束分離面４において反射光束１３ａ
と、透過光束１２ａとに分離される。

【００３９】反射光束１３ａはそのまま入射光束１１ａ
の進行方向と同じ方向へ出射し、透過光束１２ａは全反
射ミラー面７で一旦反射されて、反射光束１３ａと同じ
方向へ出射する。

【００４０】一方入射光束１１ｂは図２（ｂ）に示すよ
うに光束分離面４において反射光束１３ｂと、透過光束
１２ｂに分割される。

【００４１】透過光束１２ｂはそのまま入射光束１１ｂ
と同じ方向へ出射し、反射光束１３ｂは全反射ミラー面
７で一旦反射された後、透過光束１２ｂと同じ方向へ出
射する。

【００４２】このとき、入射光束１１ａと１１ｂはそれ
ぞれ半円の断面形状をしており、これらを光束分離面４
によって透過光と反射光に分離，出射された透過光束１
２ａ，１２ｂ、および、反射光束１３ａ，１３ｂも、そ
の断面形状はそれぞれ半円形となる。

【００４３】従って、出射光束の合成光束１４の断面形
状は４つの半円形を合成したものとなる。つまり、半円
形の円弧の部分をつき合わせて並べた２つの半円形と、
半円形の弦の部分で背中合せにした２つの半円形とを重
ね合わせた形状となる。

【００４４】図４はアスペクト比（横：縦）が４：３の
液晶パネルの表示部２１に光を照射したときの模式図で
ある。図４（ａ）は光源と放物面ミラーとからなる照明
系で照射した照射光２２を示し、図４（ｂ）は上記の照
明系に本実施例の光学素子１を挿入して照射した場合を
示す。

【００４５】図４（ａ）では、光束の断面形状が円形の
照射光を液晶パネルの表示部２１の全面に照射した場合
で、液晶パネルの表示部２１の対角の長さ（Ｌ）と同じ
長さの直径を有する照射光が必要になる。この場合の液
晶パネルの表示部２１に照射されない部分の面積は、全
照射光束の断面積の３９％にも及び、光損失が大であ
る。

【００４６】一方、光学素子１を用いた場合、光学素子
１からの出射光の合成光束の断面形状は、上記円形の照
明光の場合に比べて、液晶パネルの表示部の形状により
近い形状となり、光損失が小さい。

【００４７】従って、図４（ｂ）に示すように、光学素
子１に入射する入射光束の直径を、光学素子１を用いな
い場合の４／５に縮小しても、液晶パネルの表示部２１
の全面を照射することが可能となり、液晶パネルの表示
部２１に照射されない部分の面積は、入射光束の断面積
の５％程度と大幅に改善することができる。

【００４８】図５は光学素子１を用いた場合の照度分布
の均一性の説明図で、照射面（液晶パネルの表示部２
１）上の照度分布を示す。

【００４９】横軸が照射面上の対角位置を示し、縦軸が
照度を示す。光学素子を用いない場合の照度分布２３
と、前記１２ａ，１２ｂ，１３ａおよび１３ｂが光学素
子１において分割，分離され出射した各光束の照度分
布、および、光学素子を用いた場合の合成光の照度分布
２４を示す。

【００５０】光学素子を用いない場合、照射光の中心部
の照度は端部（周辺部）に比べて高く、中心部を１００
％とした場合の端部（周辺部）の照度（以下周辺照度比
と呼ぶ）は、２５％程度でかなり小さな値となる。

【００５１】一方、入射光束が中心に照度のピークを有
していても、前記光学素子を用いることにより、周辺照
度比５０％以上と大幅に改善される。

【００５２】図６は光学素子１の光束分離面４における
透過と反射の比に対する周辺照度比（％）の関係の一例
を示すグラフである。図６から光束分離面４の透過と反
射の比は、周辺照度比が最大となる最適値が存在するこ
とが分かる。この場合では透過：反射＝８.２：１.８で
最大となる。

【００５３】従って、光学素子１の入射光束の断面形状
や入射光の照度分布に応じて、光束分離面４における透
過と反射の割合を最適化することで、さらに高い周辺照
度比が得られ、より均一な照明を行うことができる。

【００５４】また、本光学素子１はレンズを用いること
なく、互いに平行に配置された全反射ミラー面と光束分
離面とによってのみ行なうので、光束の平行性の劣化が
ない。

【００５５】〔実施例 ２〕本発明の他の実施例を図７
および図８を用いて説明する。

【００５６】図７は光学素子の構成を示す模式斜視図で
あり、図８は図７の光学素子を上から見た模式断面図で
ある。

【００５７】本光学素子はプレートタイプのビームスプ
リッタ３２とプレートタイプの全反射ミラー３３，３４
とによって構成されており、図１に示した光学素子１の
全反射ミラー面６、７および光束分離面４が、本実施例
のプレートタイプの全反射ミラー３３，３４およびプレ
ートタイプのビームスプリッタ３２に対応している。即
ち、プリズム型の全反射面や光束分離面を用いる代わり
に、プレートタイプのミラーおよびプレートタイプのビ
ームスプリッタを用いただけで、それぞれの位置関係や
大きさは図１の光学素子の対応する部位と一致してい
る。

【００５８】本実施例によれば、図１に示した光学素子
１と同様、光束の平行性を損なうことなく、光の利用効
率および周辺照度比を向上して、均一でより明るい照明
を行うことが可能となる。

【００５９】上記プレートタイプは、ミラー、ビームス
プリッタ共にプリズム型に比較して低コスト化できると
云う利点がある。

【００６０】〔実施例 ３〕本発明の他の実施例を図９
および図１０を用いて説明する。

【００６１】図９は光学素子の構成を示す模式斜視図で
あり、図１０は光学素子を上から見た模式断面図であ
る。

【００６２】光学素子４１は四角柱状の同じ形をした２
個の全反射プリズム４３，４５を接合して構成される。
このプリズムの底面の形状は平行四辺形であり、内角が
４５度と１３５度、辺の長さの比が１：√２となってお
り、全反射プリズム４３および４５を接合して構成され
る光学素子４１は全体として、図１の光学素子１と同じ
形状となっている。

【００６３】四角柱状の全反射プリズム４３，４５は、
図１で示す光学素子１のプリズムと同じ材質で構成さ
れ、接合面には光学多層薄膜により光束分割面４４が形
成される。また、光束分割面４４に光学多層薄膜である
偏光膜を形成することで、偏光ビームスプリッタを構成
することができる。

【００６４】上記プリズムの面４６，４７が全反射ミラ
ー面４６，４７となっており、光束分割面４４と互いに
平行な位置関係にある。

【００６５】本光学素子４１は、基本的に図１の光学素
子１の全反射ミラー面６、７および光束分離面４の位置
や大きさが、全反射ミラー面４６，４７および光束分離
面４４に対応している。つまり、本光学素子４１はプリ
ズムの数が２個と少ない外は図１の光学素子１と構成が
等しくなっており、同様に、光束の平行性を損なうこと
なく、光の利用効率および周辺照度比を向上し、均一で
より明るい照明を行うことが可能となる。

【００６６】さらに本光学素子４１は、構成プリズムの
数が２個と少く、接合面も一つですむため、製造コスト
が低くなると云う利点がある。

【００６７】〔実施例 ４〕図１１は本発明の光学素子
の他の実施例の模式斜視図である。

【００６８】この光学素子５１は底面が直角二等辺三角
形をした三角柱状の全反射プリズム３，５と、その底面
の形状が全反射プリズム３，５の底面の直角二等辺三角
形の等辺と等しい長さの辺を有する正方形をした直方体
状のビームスプリッタプリズム２を接合して構成され、
全体として、底面が直角二等辺三角形をした三角柱状を
なしている。

【００６９】ビームスプリッタプリズム２は、２つの同
じ形をした底面が直角二等辺三角形の三角柱状プリズム
の斜面同志を接合したもので、接合面には光学多層薄膜
により光束分割面４が形成されている。

【００７０】全反射プリズム３，５の内側を向いた面は
全反射のミラー面６，７であり、この２つの面は同一平
面上に隙間無く並んでいる。さらに全反射ミラー面６，
７はビームスプリッタプリズム２の光束分割面４と互い
に平行な位置関係にある。

【００７１】本実施例では全反射ミラー面６，７のそれ
ぞれと光束分割面４の形状は等しくなっているが、入射
光束の断面形状に合わせて変えてもよい。

【００７２】全反射プリズム３、５およびビームスプリ
ッタプリズム２の硝材としては、光学ガラスＢＫ−７を
使用した。

【００７３】次に図１２および図１３により上記光学素
子５１の動作を説明する。図１２は光学素子５１を上か
ら見た模式断面図であり、図１３は説明のため光学素子
５１に光の状態を加えた模式斜視図である。

【００７４】図１２のように光学素子５１はほぼ平行状
態で入射する入射光束１１の光軸に対して、全反射ミラ
ー面６，７および光束分割面４が４５度の角度をなして
おり、全反射ミラー面６，７は、光束分離面４と平行な
位置関係にある。

【００７５】さらに、図１２（ａ）のように平行に入射
する光束１１のうちの半分の入射光束１１ａが直接全反
射ミラー面７に入射し、図１２（ｂ）のように残りの半
分の入射光束１１ｂが光束分離面４に入射し、全反射ミ
ラー面６には直接入射光束１１が入射しないよう構成さ
れている。

【００７６】光学素子５１の開口部は、図１３に示すよ
うに入射光束（１１ａ＋１１ｂ）の断面が円形のときこ
れに外接する正方形をなしている。そのため、上記入射
光束１１は光学素子５１の開口部において断面形状が半
円形である入射光束１１ａと１１ｂとに２分割される。

【００７７】入射光束１１ａは、図１２（ａ）に示すよ
うに全反射ミラー面７で反射されて、光束分離面４にお
いて反射光束１３ａと、透過光束１２ａとに分離され
る。

【００７８】透過光束１２ａは入射光束１１ａの光軸と
９０度の角度をなす方向へ出射し、反射光束１３ａは全
反射ミラー面６で反射された後、透過光束１２ａと同じ
方向へ出射する。

【００７９】一方入射光束１１ｂは図１２（ｂ）に示す
ように光束分離面４において反射光束１３ｂと、透過光
束１２ｂに分離される。

【００８０】反射光束１３ｂは入射光束１１ｂの光軸と
９０度の角度をなす方向へ出射し、透過光束１２ｂは全
反射ミラー面６で反射された後、反射光束１３ｂと同方
向へ出射する。

【００８１】このとき、出射した各光束１２ａ、１２
ｂ、１３ａおよび１３ｂは、半円形の断面形状を持つ入
射光束１１ａと１１ｂを光束分離面４により透過光と反
射光に分割しただけなので、その断面形状は同じく半円
形となる。従って、出射光束の合成光束１４の断面形状
は４つの半円形を合わしたものになる。

【００８２】但し、図１の光学素子１からの出射光束と
同様に半円形の円弧の部分をつき合わせるように並べた
２つの半円形と、半円形の弦の部分で背中合せに並べた
２つの半円形とを重畳した形状となる。

【００８３】即ち、本光学素子５１は光の出射方向が入
射光の光軸と９０度の角度をなしてる点以外は、図１の
光学素子１と同様な合成光束１４が得られる。従って、
図１の光学素子１と同様に、均一な照度分布を有し、光
束の平行性を劣化しない。

【００８４】また、光学素子５１に入射する光束の断面
形状や入射光の照度分布等の各条件に応じて、光束分離
面４の透過と反射の割合を前記と同様に最適化すれば、
より均一な照明を行うこが可能となる。

【００８５】〔実施例５〕図１４は本発明の光学素子の
他の実施例の模式斜視図であり、図１５は本光学素子を
上から見た模式断面図である。

【００８６】本光学素子はプレートタイプのビームスプ
リッタ３２と、該ビームスプリッタ３２の２倍の大きさ
のプレートタイプの全反射ミラー３３によって構成され
ており、図１１に示した光学素子５１の２つの全反射ミ
ラー面６，７が全反射ミラー３３に対応し、光束分離面
４が、ビームスプリッタ３２に対応している。つまり、
プリズム型の全反射面や光束分離面の代わりに、プレー
トタイプの全反射ミラー，ビームスプリッタを用いただ
けで、これらの位置関係や大きさは図１１の光学素子５
１の対応する部位と同一である。

【００８７】従って、図１１に示す光学素子５１と同
様、入射光束の平行性を損なうことなく、光の利用効率
および周辺照度比を向上して、均一でより明るい照明を
行うことが可能となる。

【００８８】これらプレートタイプのものは、より製造
コストを低下できると云う利点がある。

【００８９】〔実施例 ６〕図１６は本発明の光学素子
の他の実施例の模式斜視図であり、図１７は光学素子を
上から見た模式断面図である。

【００９０】本実施例の光学素子６１は、底面の形状が
台形の四角柱状をしたプリズムからなる。光学素子６１
のプリズムは前記実施例１と同様にＢＫ−７で構成さ
れ、プリズムの内側面が全反射ミラー面６６となってお
り、面６４は光束分離面６４となっている。

【００９１】全反射ミラー面６６の形状は光束分離面６
４を２枚横に並べたと同じ形状をしており、光束分割面
６４とは平行な位置関係にある。

【００９２】つまり、本光学素子６１は基本的に図１１
に示した光学素子５１の全反射ミラー面６，７が本素子
の全反射ミラー面６６に対応し、光束分離面４が同じく
光束分離面６４に対応している。

【００９３】本光学素子６１は単一のプリズムで構成さ
れているが、全反射面および光束分離面の形状および位
置関係が図１１の光学素子５１の対応する部位と一致し
ており、同様に、入射光束の平行性を損なうことなく、
光の利用効率および周辺照度比を向上し、均一でより明
るい照明を行うことが可能となる。

【００９４】本光学素子は構成するプリズムの数が１個
で接合面がないため、コストが低くなると云う利点があ
る。

【００９５】〔実施例 ７〕図１８は本発明の光学素子
を備えた液晶プロジェクタの断面概略図である。

【００９６】この液晶プロジェクタは、光源がメタルハ
ライドランプ７１、放物面ミラー７２、光学素子１、コ
ンデンサレンズ７３、投写レンズ７４、ダイクロイック
プリズム７６、分散型液晶を封止した反射型液晶パネル
７７，７８，７９から構成される。

【００９７】投写レンズ７４は、レンズ群の他に全反射
ミラー８１と開口絞り７５が配置され、シュリーレン光
学系が構成されている。

【００９８】メタルハライドランプ７１の発光光束のう
ち、放物面ミラー７２により反射された光束はほぼ平行
光束となり、光学素子１に入射する。光学素子１に入射
した光束は、平行性を劣化することなく４つの光束に分
割、分離されて出射する。この時、出射光束の合成光束
は均一な照度分布を有すると共に、その断面形状は液晶
パネルの表示部の形状であるアスペクト比４：３の長方
形に近い形状になっている。

【００９９】光学素子１から出射した光束はコンデンサ
レンズ７３によって全反射ミラー８１付近に集光されダ
イクロイックプリズム７６へ向けて反射する。反射した
光束はレンズ群により再びほぼ平行光束となってから、
ダイクロイックプリズム７６に入射する。

【０１００】ダイクロイックプリズム７６は、波長に対
する反射率特性の異なる２つのダイクロイック薄膜を有
し、入射光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色に
分解する。分解された各色光はそれぞれ液晶パネル７
７，７８，７９に入射し、画像信号に応じた変調を受け
る。即ち、液晶パネルの各画素が反射モードのときには
入射した光は正反射し、散乱モードのときには散乱す
る。

【０１０１】液晶パネルで反射された変調光はダイクロ
イックプリズム７６で再び合成され、レンズ群により集
光される。このとき、液晶パネルへの光の入射角は９０
度ではなく数度傾いているので、液晶パネルで反射され
た光は全反射ミラー８１とはややずれた位置の開口絞り
７５付近で集光される。

【０１０２】液晶パネルの各画素のうち正反射した画素
の光は開口絞り７５を通過し、レンズ群によって拡大さ
れスクリーン８２に達する。一方、散乱した画素の光は
開口絞り７５によってほとんど遮られスクリーン８２に
達することができないのでその画素は暗く表示される。

【０１０３】一般に、上記の液晶パネルを用いシュリー
レン光学系を構成した液晶プロジェクタは、ＴＮ（ツイ
ストネマティック）型の液晶パネルを使用した液晶プロ
ジェクタに比べ、偏光板を用いないのでスクリーン上で
より明るい画像が得られる。

【０１０４】また、透過型の液晶パネルを使用した場合
に比べて光学系をコンパクトにできるという利点もあ
る。

【０１０５】本実施例の液晶プロジェクタは、光学素子
１によって液晶パネルへの照射光の断面形状がアスペク
ト比４：３の長方形に近い形状を有し、均一な照度分布
を有する。そのため液晶パネルに入射されず損失となっ
ていた光の割合を低下できるので光の利用効率が向上
し、より明るい画像が得られると共に、均一な照度分布
を有する高品位なフルカラーの投写画像が得られる。

【０１０６】また、本光学素子は、従来のレンズアレイ
を用いたオプティカルインテグレータのように入射光束
の平行性を損なうことがないので、開口絞りが小さくて
も照射光を高効率で利用できるため、コントラストも十
分確保できる。

【０１０７】〔実施例８〕図１９は本発明の光学素子を
備えた液晶プロジェクタの概略断面図である。

【０１０８】光源のメタルハライドランプ７１、放物面
ミラー７２、光学素子６１、フィルタ８３、コンデンサ
レンズ７３、投写レンズ７４、クロスダイクロイックプ
リズム８４、散乱型の反射型液晶パネル７７，７８，７
９から構成される。

【０１０９】投写レンズ７４には、レンズ群の他に、全
反射ミラー８１と開口絞り７５が配置されており、シュ
リーレン光学系が構成されている。

【０１１０】メタルハライドランプ７１の発光光束のう
ち、放物面ミラー７２により反射された光束はほぼ平行
光束となり、フィルタ８３において熱線や紫外線をカッ
トした後、光学素子６１に入射する。光学素子６１に入
射した入射光束は平行性を劣化することなく４つの光束
に分割、分離され、入射光束の光軸と９０度の角度をな
す方向へ出射する。この時、出射光の合成光束は均一な
照度分布を有するとともに、その断面形状は液晶パネル
の表示部の形状であるアスペクト比４：３の長方形に近
い形状になっている。

【０１１１】光学素子６１から出射した光束はコンデン
サレンズ７３によって全反射ミラー８１に集光されクロ
スダイクロイックプリズム８４へ向けて反射する。該反
射光束はレンズ群により再びほぼ平行光束となってか
ら、クロスダイクロイックプリズム８４に入射する。ク
ロスダイクロイックプリズム８４は波長に対する反射率
特性の異なる２つのクロスダイクロイック薄膜を有し、
入射光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三原色に分解
する。分解された光はそれぞれ液晶パネル７７、７８、
７９に入射し、画像信号に応じた変調を受ける。即ち、
液晶パネルの各画素が反射モードのときには入射した光
は正反射し、散乱モードのときには散乱する。

【０１１２】液晶パネルで反射された変調光はクロスダ
イクロイックプリズム８４で再び合成され、レンズ群に
より集光される。このとき、液晶パネルへの光の入射角
は９０度ではなく、数度傾いているので、液晶パネルで
反射された光は全反射ミラー７２とは、ややずれた位置
の開口絞り７５で集光される。このとき液晶パネルの入
射光のうち、正反射した画素の光は開口絞り７５を通過
し、レンズ群によって拡大されスクリーンに達するため
画素が明るくなる。一方、散乱した画素の光は開口絞り
７５によってほとんど遮られスクリーンに達することが
できず画素が暗くなる。

【０１１３】本実施例の液晶プロジェクタは光学素子６
１によって、液晶パネルに照射される照射光の断面形状
がアスペクト比４：３の長方形に近い形状を有し、より
均一な照度分布を有するため、光の利用効率が向上し、
スクリーン上で明るく、均一で高品位な投写画像が得ら
れる。

【０１１４】なお、本実施例で用いた光学素子６１は、
特に、光の進行方向を９０度変えることができるので、
液晶プロジェクタの小型化に有利である。

【０１１５】〔実施例９〕図２０は本発明の光学素子を
備えた液晶プロジェクタの概略断面図で、透過型の液晶
パネルを用いた例である。

【０１１６】光源のメタルハライドランプ９１、放物面
ミラー９２、ＵＶ，ＩＲカットフィルタ９０，光学素子
１、全反射ミラー９３，９４、青色光反射ダイクロイッ
クミラー９５、緑色光反射ダイクロイックミラー９６，
９７、赤色光反射ダイクロイックミラー９８、赤色光用
液晶パネル９９、緑色光用液晶パネル１００、青色光用
液晶パネル１０１、投写レンズ１０２から構成される。
なお、上記各色の液晶パネルは透過型液晶パネルを用い
た。

【０１１７】メタルハライドランプ９１の発光光束のう
ち、放物面ミラー９２により反射された光束はほぼ平行
光束となり、フィルタ９０において熱線や紫外線をカッ
トした後、光学素子１に入射する。光学素子１に入射し
た入射光束は平行性を劣化することなく４つの光束に分
割、分離され、入射光束の光軸と同じ方向へ出射する。
この時、出射光の合成光束は均一な照度分布を有すると
ともに、その断面形状は液晶パネルの表示部の形状であ
るアスペクト比４：３の長方形に近い形状になってい
る。

【０１１８】光学素子１から出射した光束は青色光反射
ダイクロイックミラー９５で分解された青色光が反射さ
れ全反射ミラー９３で角度を変えて、青色光用液晶パネ
ル１０１に照射される。同様にして緑色光反射ダイクロ
イックミラー９６，９７と緑色光用液晶パネル１００、
赤色光用液晶パネル９９、全反射ミラー９４、赤色光反
射ダイクロイックミラー９８をそれぞれ組み合わせるこ
とにより各液晶パネルで形成されたＲ，Ｇ，Ｂの画像を
重畳してフルカラーの画像が形成される。これを投写レ
ンズ１０２によってスクリーンに投写する。

【０１１９】本実施例の液晶プロジェクタは光学素子１
によって、液晶パネルに照射される照射光の断面形状が
アスペクト比４：３の長方形に近い形状を有し、より均
一な照度分布を有するため、光の利用効率が向上し、ス
クリーン上で明るく、均一で高品位な投写画像が得られ
る。

【０１２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の光学素子を
用いれば、光束の平行性を損なうことなく、光の利用効
率および周辺照度比を向上でき、均一でより明るい照明
を行うことが可能となる。

【０１２１】また、本発明の光学素子を用いた液晶プロ
ジェクタは、スクリーン上でより明るく、より均一な照
度を有する高品位な投写画像が得られ、かつより小型な
液晶プロジェクタを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学素子の一実施例を示す模式斜視図
である。

【図２】図１の光学素子を上から見た模式断面図であ
る。

【図３】光の状態を加えた本発明の光学素子の一例を示
す模式斜視図である。

【図４】図４はアスペクト比が４：３の液晶パネルの表
示部に光を照射したときの模式図である。

【図５】図５は光学素子の照度分布の説明図で、照射面
（液晶パネルの表示部）上の照度分布を示すグラフであ
る。

【図６】図６は本発明の光学素子の光束分離面における
透過と反射の比に対する周辺照度比（％）の関係の一例
を示すグラフである。

【図７】本発明の光学素子の一実施例を示す模式斜視図
である。

【図８】図７の光学素子を上から見た模式断面図であ
る。

【図９】本発明の光学素子の一実施例を示す模式斜視図
である。

【図１０】図９の光学素子を上から見た模式断面図であ
る。

【図１１】本発明の光学素子の一実施例を示す模式斜視
図である。

【図１２】図１１の光学素を上から見た模式断面図であ
る。

【図１３】光の状態を加えた本発明の光学素子の一例を
示す模式斜視図である。

【図１４】本発明の光学素子の一実施例を示す模式斜視
図である。

【図１５】図１４の光学素子を上から見た模式断面図で
ある。

【図１６】本発明の光学素子の一実施例を示す模式斜視
図である。

【図１７】図１６の光学素子を上から見た模式断面図で
ある。

【図１８】本発明の光学素子を備えた液晶プロジェクタ
の概略断面図である。

【図１９】本発明の光学素子を備えた液晶プロジェクタ
の概略断面図である。

【図２０】本発明の光学素子を備えた液晶プロジェクタ
の概略断面図である。

【符号の説明】

１,４１,５１,６１…光学素子、２…ビームスプリッタ
プリズム、３,５,４３,４５…全反射プリズム、４,４
４,６６…光束分離面、６,７,４６,４７,６６…全反射
ミラー面、１１…入射光束、１２…透過光束、１３…反
射光束、１４…合成光束、２１…液晶パネルの表示部、
２２…照射光、２３…光学素子を用いない場合の照度分
布、２４…光学素子を用いた場合の合成光の照度分布、
３２…ビームスプリッタ、３３,３４,８１,９３,９４…
全反射ミラー、７１,９１…メタルハライドランプ、７
２,９２…放物面ミラー、７３…コンデンサレンズ、７
４,１０２…投写レンズ、７５…開口絞り、７６…ダイ
クロイックプリズム、７７,７８,７９…液晶パネル、８
２…スクリーン、８３…フィルタ、８４…クロスダイク
ロイックプリズム、９０…ＵＶ，ＩＲカットフィルタ、
９５…青色光反射ダイクロイックミラー、９６,９７…
緑色光反射ダイクロイックミラー、９８…赤色光反射ダ
イクロイックミラー、９９…赤色光用液晶パネル、１０
０…緑色光用液晶パネル、１０１…青色光用液晶パネ
ル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津村 誠 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平５−241240（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−72428（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−241103（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−225379（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−194921（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02B 5/00 G02F 1/13357

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの入射光束を受け、該光束を照
   射対象面へ出射する光学素子であって、 同一平面上に隙間無く併設した同一形状の第１の全反射
   面および第２の全反射面と、前記入射光束を反射光と透
   過光に分離する第１，第２の全反射面と同一形状の光束
   分離面を備え、 第１，第２の全反射面と光束分離面とは互いに平行で、
   かつ、前記入射光束の光軸に対して４５度の角度に設定
   されており、 第１，第２の全反射面と光束分離面は、ほぼ平行に入射
   する入射光束の半分が直接光束分離面に、残りの半分が
   第１の全反射面に入射し、第２の全反射面には入射光束
   が直接入射しないよう構成されていることを特徴とする
   光学素子。
2. 【請求項２】 液晶ライトバルブを備えた投写型液晶表
   示装置において、前記液晶ライトバルブとその投写用光
   源との間に、光源からの入射光束を受け、該光束を液晶
   ライトバルブの照射対象面へ出射する光学素子を備えて
   おり、前記 光学素子は、同一平面上に隙間無く併設した同一形
   状の第１の全反射面および第２の全反射面と、前記入射
   光束を反射光と透過光に分離する第１，第２の全反射面
   と同一形状の光束分離面を備え、 第１，第２の全反射面と光束分離面とは互いに平行で、
   かつ、前記入射光束の光軸に対して４５度の角度に設定
   されており、 第１，第２の全反射面と光束分離面は、ほぼ平行に入射
   する入射光束の半分が直接光束分離面に、残りの半分が
   第１の全反射面に入射し、第２の全反射面には入射光束
   が直接入射しないよう構成されていることを特徴とする
   投写型液晶表示装置。