JP3658404B2 - 投影装置 - Google Patents

Description

本発明は投影装置に関し、特に液晶表示素子（液晶パネル）の画像を、投影レンズで、スクリーン又は壁に拡大投影する液晶プロジェクターに好適なものである。

従来より、液晶パネルを光源からの光束により照明し、液晶パネルからの透過光又は反射光に基づく画像を、投影レンズにより、スクリーン又は壁に拡大投影する液晶プロジェクターが種々と提案されている。

高コントラストの画像が比較的容易に得られるＴＮ型の液晶パネルは液晶の持つ偏光特性を利用している。このために、通常、液晶パネルの前後に偏光子と検光子が設けられている。これらのような偏光フィルターは入射する光の特定の偏光方向の偏光光を透過させ、この偏光方向と直交する偏光方向の偏光光を遮断する特性を有している。この為、液晶プロジェクターの光源からの光は偏光子で少なくとも半分は遮断されることになり、投影した画像の明るさは十分なものではなかった。

図２３はこの明るさの問題を解決した特許文献１に提案されているプロジェクターの要部概略図である。

同図の液晶プロジェクターは、光源２０１からの光束を赤外カットフィルター２０８，レンズ２０７を介してランダム偏光光を直交する２つの偏光成分（Ｐ偏光，Ｓ偏光）に分離する偏光分離素子２０２に入射させている。偏光分離素子２０２を通過した光束のうち反射光であるＳ偏光光の光路に１／２波長板２０３を設けている。１／２波長板によりそれを透過する偏光光の偏光方向を９０°回転させて透過光であるＰ偏光光と同じにして射出している。そして偏光分離素子２０２からの２つの偏光光の光路を折り曲げミラー２０９とプリズム２０４を使って液晶パネル２０５上で重ね、光源２０１からの全ての光が利用できるようにしている。

同図に示す液晶プロジェクターにおいては偏光分離素子２０２はレンズ２０７やリフレクター２０６と同程度の大きさが必要で、大きくて高価なものになってしまう欠点があり、さらには光束を２つに分離する為に照明光束が従来の略２倍の大きさになり、照明光束が全て投射レンズを透過するようにする為には、投射レンズの開口径（Ｆ_ＮＯ ）が従来の２倍以上必要となり設計上、不利となる問題もあった。

これに対し、特許文献２の液晶プロジェクター用の照明装置は、偏光分離素子と折り曲げミラーと１／２波長板を夫々アレイ化することによって偏光変換部の薄型化を達成し、しかも照明光束の大きさは従来と同程度に維持して、従来の投影レンズを使えるようにしている。
特開昭６１−９０５８４号公報 特開平８−３０４７３９号公報

しかしながら、現在、特開平８−３０４７３９号公報のものよりも更に小さい偏光変換部を有する照明装置や投影装置が望まれている。

本発明は、従来よりも偏光変換部を小さくでき、従来よりも偏光変換部を小さくできる、液晶プロジェクター等の投影装置の提供を目的とする。

請求項１の発明の撮像装置は、複数の画像表示素子と、光源からの光で前記複数の画像表示素子を照明する照明光学系とを有する投影装置であって、
前記照明光学系が、前記光源からの光を反射して平行光に変換する放物面ミラーと、該放物面ミラーからの前記平行光を収斂光に変換する凸レンズと、前記収斂光を平行な状態に変換する凹レンズと、正の屈折力を有する複数の第１レンズを含み、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイの集光位置近傍に、前記複数の第１レンズに対応して配置された、正の屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイからの複数の光束各々を受光する複数の受光部を有し、前記複数の光束各々を特定の方向に偏光した直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイとを有することを特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記偏光変換素子アレイからの光を色分解する色分解光学系と、前記偏光変換素子アレイと前記色分解光学系との間に配置され、正の屈折力を有する集光レンズと、前記色分解光学系と前記複数の画像表示素子各々との間の光路上に配置された複数のコンデンサーレンズとを有することを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記複数のコンデンサーレンズの前記複数の画像表示素子側の面が平面であることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記凸レンズは平凸レンズであって、前記平凸レンズの平面が前記光源側に向いていることを特徴としている。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記凹レンズは平凹レンズであって、前記平凹レンズの凹面が前記光源側に向いていることを特徴としている。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記偏光変換素子アレイから出射する光を色分解する色分解光学系と、前記色分解光学系と各々の前記複数の画像表示素子との間の光路上に配置された複数のコンデンサーレンズと、前記偏光変換素子と前記色分解光学系との間に配置された集光レンズと、前記複数の画像表示素子からの光を投射する投射光学系とを有することを特徴としている。

本発明によれば以上のように、各要素を設定することにより、従来よりも偏光変換部を小さくでき、従来よりも偏光変換部を小さくできる、液晶プロジェクター等の投影装置を達成することができる。

図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。図中２３０は照明装置の一部分又は全部、１はメタルハライドランプ等の放射光源である。２は反射面が放物面から成るリフレクターである放物ミラーであり、光源１からの光束を反射して平行光に変換し、この平行光をレンズ３に入射させている。レンズ３は正の屈折力を有している。

４は第１凸レンズアレイであり、正の屈折力を有するレンズ４ａを複数個有する板から成っている。５は凹レンズであり、負の屈折力を有している。６は第２凸レンズアレイであり、第１凸レンズアレイ４の個々のレンズ４ａに対応した正の屈折力を有するレンズ６ａを有する板から成っている。７は偏光変換素子アレイであり、図２に示す構成を有し、偏光変換素子毎に入射する無偏光（ランダム偏光）の光を特定の方向に偏光した直線偏光光として射出させている。各偏光変換素子から射出する偏光光の偏光方向は、図２が示す通り、互いに一致している。

８は集光レンズであり、正の屈折力を有している。９はコンデンサーレンズであり、照明光をパネル１０を介して投射レンズ１１の入射瞳（開口絞り）に集光している。１０は液晶パネルより成る画像表示素子である。投射レンズ１１は正の屈折力を有し、画像表示素子１０が形成した画像をスクリーン又は壁上に拡大投影している。

凹レンズ５は各偏光変換素子７において対応する光束が素子７の受光部７ｉのみに入射するように第１凸レンズアレイ４からの互いに非平行な複数の光束を互いに平行な状態にし且つ光軸とも平行な状態にする。

本実施形態において、光源１は点光源であることが望ましいが、光源１が拡がりを有していても良い。光源１に拡がりがある場合は、第１凸レンズアレイ４からの光束にも拡がりが生じる為に、第１凸レンズアレイ４による各光束の集光位置の近傍に、該第１凸レンズアレイ４の各レンズに対応した凸レンズ（フィールドレンズ）を配置した第２凸レンズアレイ６を設けている。

本実施形態においては第１凸レンズアレイ４を収斂光の光路中に設けることにより、それによって生成される２次光源の大きさを小さくしており、そのため偏光変換素子アレイ７の大きさも２次光源の大きさに応じて小さくすることができるので、凹レンズ５，第２凸レンズアレイ６，偏光変換素子アレイ７のそれぞれの外径を集光ミラーの外径よりも小さくし、これによって装置全体の小型化を図っている。

尚、ここで、凸レンズと記載しているものは、正の屈折力を有するレンズを指す。従って、本発明においては、所謂凸面を有していない、正の屈折力を有するフレネルレンズや正の屈折力を有する屈折率分布型のレンズも使用できる。また、凹レンズと記載しているものは、負の屈折力を有するレンズを指す。従って、本発明においては、所謂凹面を有していない、負の屈折力を有するフレネルレンズや負の屈折力を有する屈折率分布型レンズも使用できる。

次に、偏光変換素子アレイ７の構成について図２を用いて説明する。偏光変換素子アレイ７は、第２凸レンズアレイ６の個々のレンズ６ａに対応させて偏光変換素子を並べたものであり、各素子は偏光分離面７ａと、偏光分離面７ａで反射したＳ偏光光の光路を９０°折り曲げる反射面７ｂと、偏光分離面７ａを透過したＰ偏光光の光路又は反射したＳ偏光光の光路に設けられた２分の１波長板（λ／２板）７ｃを有している。図２では偏光分離面７ａで反射したＳ偏光光の光路中にλ／２板７ｃを設けている。

次に本実施形態の光源１からの光路について図３と図４を用いて説明する。図２と図３において、光源１が放射した光は放物ミラー２により、画像表示素子１０がある方向に反射され、平行光となり、凸レンズ３を介して第１レンズアレイ４に入射して複数の光束に分けられ、第２凸レンズアレイ６近傍の放物ミラー２の外径よりも小さい範囲にこの複数の光束が複数の集光点を形成する。凹レンズ５は第１凸レンズアレイ４からの複数の光束を互いに平行にし、偏光変換素子アレイ７に入射する各光束の向きを揃えた後で、第２凸レンズアレイ６に導光している。第２凸レンズアレイ６を透過した各光束は偏光変換素子アレイ７の対応する偏光変換素子に入射している。

各偏光変換素子に入射した光束は、偏光分離面７ａにより偏光方向が互いに直交しているＳ偏光とＰ偏光の光に分離され（←→，・）、このうち偏光分離面７ａで反射したＳ偏光光（←→）は、反射面７ｂで反射し、２分の１波長板７ｃを透過し、１／２波長板により偏光分離面７ａを透過したＰ偏光光と同じ偏光方向の光（・）に変換される。従って偏光変換素子アレイ７より互いに偏光方向が同じである複数の光束が射出する。偏光変換素子アレイ７からの複数の光束は集光レンズ８とコンデンサーレンズ９とにより画像表示素子１０上で合成される。

画像表示素子１０を透過した光束は、投射レンズ１１に導かれ、レンズ１１によって画像表示素子１０が形成した画像をスクリーンや壁などに形成している。

図４，図５は図３の一部分の拡大説明図である。図４，図５は光源１からの光束に拡がりがある通常の場合の光路を示している。光源１からの光束に拡がりがあると放物ミラー２から射出される光の角度が均一でなくなり、第１凸レンズアレイ４で集光される各光束にも拡がりが生じ、結像点も拡がる。

そこで本実施形態では第１凸レンズアレイ４からの複数の光束の集光点近傍に設けた第２凸レンズアレイ６の各レンズ６０１の作用により、第１凸レンズアレイ４の各レンズからの光束に含まれている互いに進行方向が異なる複数の光線の向きを揃え、この光束の拡がりをおさえている。

尚、本実施形態において凸レンズ３と第１凸レンズアレイ４は図６のように一体構成としたレンズＬａ１としても良いし、図７のように第１凸レンズアレイ４の各レンズを中心方向に偏心させた構成のレンズＬａ２だけでも良い。

又、凹レンズ５と第２凸レンズアレイ６は図８のように第２レンズアレイ６の各レンズを周辺方向に偏心させた構成のレンズＬａ３だけでも良い。又、第２凸レンズアレイ６は図９のように偏光変換素子アレイ７と集光レンズ８との間に設けても良く、さらには図１０のように第２凸レンズアレイ６の各レンズを中心方向に偏心させた構成のレンズＬａ４だけでも良い。

尚、本実施形態は図２２に示すように集光レンズ８と画像表示素子１０の間に複数枚のダイクロミラー等から成る色分解系１０１を設け、画像表示素子１０と投射レンズ１１の間にダイクロプリズムなどから成る色合成系１０９を設けることにより、画像表示素子１０をＲＧＢ用に３枚用いた３板式の液晶プロジェクターにもそのまま使うことができる。

図１１は本発明の実施形態２の要部概略図である。図中、２３０は照明装置の一部又は全部、図１で示した要素と同一要素には同符番を付している。本実施形態は図１の実施形態１に比べてレンズ３を省略し、放物ミラー２の代わりに反射面が楕円面から成るリフレクター２である楕円ミラーによってその焦点位置におかれた光源１からの光束を、収斂光束に変換して、該収斂光束を第１凸レンズアレイ４に入射させている点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。

図１２は本発明の実施形態３の要部概略図である。図中１はメタルハライドランプ等の放射光源である。２は反射面が楕円面から成るリフレクターである楕円ミラーであり、ミラー２でその焦点位置におかれた光源１からの光束を反射集光して収斂光束に変換し、凹レンズ５に入射させている。凹レンズ５は負の屈折力を有している。

４は第１凸レンズアレイであり、正の屈折力を有する凸レンズ４ａを複数個並べた板から成っている。６は第２凸レンズアレイであり、第１レンズアレイ４の個々のレンズ４ａに対応した正の屈折力を有する複数の凸レンズ６ａを並べた板から成っている。７１は偏光変換素子アレイであり、図１４に示す構成より成り、入射する無偏光（ランダム偏光）の光を特定の方向に偏光した直線偏光光に変換して射出させている。８は集光レンズであり、正の屈折力を有している。９はコンデンサーレンズであり、照明光を液晶パネル１０を介して投射レンズ１１の入射瞳（開口絞り）に集光している。１０は液晶パネルより成る画像表示素子である。投射レンズ１１は正の屈折力を有し、画像表示素子１０が形成した投影画像をスクリーン又は壁上に拡大投影している。

次に偏光変換素子アレイ７１の構成について図１４を用いて説明する。偏光変換素子アレイ７１の各偏光変換素子は第２凸レンズアレイ６の個々のレンズ６ａに対応して設けられており、この素子は偏光分離面７１ａと、偏光分離面７１ａで反射したＳ偏光光の光路を折り曲げる反射面７１ｂと、偏光分離面７１ａを透過したＰ偏光光の光路に設けた第１の２分の１波長板７１ｃと、Ｓ偏光光の光路に設けられた第２の２分の１波長板（λ／２板）７１ｄを有している。これによって射出光束の偏光状態を揃えて射出している。

次に本実施形態の光路について図１３，図１４を用いて説明する。図１３，図１４において、光源１が放射した光は楕円ミラー２により、特定の方向（画像表示素子１０がある方向）に反射されて収斂光に変換され、凹レンズ５に入射する。凹レンズ５は収斂光を平行光に変換する。凹レンズ５からの平行光は第１凸レンズアレイ４に入射して、このアレイ４により複数の光束に分けられ、この複数の光束が第２凸レンズアレイ６の近倍の楕円ミラー２の外径よりも小さい範囲に複数の集光点を形成しつつ、第２凸レンズアレイ６に入射している。第２凸レンズアレイ６を透過した複数の光束は偏光変換素子アレイ７１に入射している。 偏光変換素子アレイ７１の各偏光変換素子に入射した光束は偏光分離面７１ａにより偏光方向が互いに直交するＳ偏光とＰ偏光の光に分離され（←→，・）、このうち偏光分離面７１ａで反射したＳ偏光光（←→）は、反射面７１ｂで反射し、第２の２分の１位相板７１ｄを透過することにより、斜め方向に偏光した直線偏光光（／）に変換され射出する。偏光分離面７１ａを透過したＰ偏光光（・）は第１の２分の１波長板７１ｃを透過することとにより、斜め方向（Ｓ偏光光と同じ方向）に偏向した直線偏光状態（／）となって射出する。

これにより、偏光変換素子アレイ７１より互いに偏光方向が同じである複数の光束とが射出する。偏光変換素子アレイ７１からの複数の光束は集光レンズ８とコンデンサーレンズ９とにより画像表示素子１０上で合成される。

画像表示素子１０を透過した光束は投射レンズ１１に導かれる画像表示素子１０が形成した画像を投射レンズ１１によりスクリーン又は壁などに形成している。

本実施形態では凹レンズ５と第１凸レンズアレイ４を図１５の如く一体したレンズＬａ５より構成しても良い。又図１６に示すように第１レンズアレイの各レンズを中心方向に偏心させたレンズＬａ６より構成しても良い。

図１７は本発明の実施形態４の要部概略図である。図中２３０は照明装置の一部又は全部、１はメタルハライドランプ等の放射光源である。２は反射面が放物面から成るリフレクターである放物ミラーであり、その焦点位置にある光源１からの光束を反射して平行光に変換し、第１凸レンズアレイ８１に入射させている。第１凸レンズアレイ８１は正の屈折力を有するレンズ８１ａを複数個並べた板から成っている。

５は凹レンズであり、負の屈折力を有している。６は第２凸レンズアレイである。８２は偏光変換素子アレイであり、図１８に示す構成より成り、入射する無偏光（ランダム偏光）の光を特定の方向に偏光した直線偏光光に変換して射出している。８は集光レンズである。９はコンデンサーレンズであり、照明光を投射レンズ１１の入射瞳（開口絞り）に集光している。

１０は液晶パネルより成る画像表示素子である。投射レンズ１１は正の屈折力を有し、画像表示素子１０１が形成した投影画像をスクリーン面上に拡大投影している。

次に偏光変換素子アレイ８２の構成について図１８を用いて説明する。偏光変換素子アレイ８２は、図１８に示すように山型形状を有する面と平面からなる１つの板状の部材８２ｄと４つの棒状のプリズム８２ｂと２つの２分の１位相板８２ｃを有し、各棒状プリズム８２ｂの１つの面に偏光分離面８２ａを設け、偏光分離面８２ａで分離されたＳ偏光光又はＰ偏光光の光路に２分の１波長板８２ｃを設ける形で各部材を接合して、構成している。

図１８では棒状プリズムと山型形状の板状部材の間に１／２波長板８２ｃを挟んで接合し、１／２波長板８２ｃがＳ偏光光を受ける構成にしている。このような構成にすると、偏光分離面８２ａは等間隔で形成されないが、第１凸レンズアレイ８１の各レンズを図１９に示すように、レンズ８１ａの光軸Ｏを各レンズ８１ａの中心に対して偏心させて構成することで、図２０のように第１凸レンズアレイ８１の各レンズ８１ａによる集光点を対応する偏光分離面８２ａに対応されることが可能となる。

図２０において、光源１が放射した光は放物ミラー２により、画像表示素子１０がある方向に反射されて平行光に変換され、第１凸レンズアレイ８１に入射し、アレイ８１により複数の光束に分けられ、この複数の光束が第２凸レンズアレイ６の近くのリフレクター２の外径よりも小さい範囲に複数の集光点を形成する。凹レンズ５は第１凸レンズアレイ５からの複数の光束を互いに平行な光束に変換し、第２凸レンズアレイ６に導光している。第２凸レンズアレイ６を透過した光束は偏光変換素子アレイ８２に入射している。

偏光変換素子アレイ８２の各偏光変換素子に入射した光束は偏光分離面８２ａにより互いに偏光方向が直交するＳ偏光とＰ偏光の光に分離され（←→，・）、このうち偏光分離面８２ａで反射したＳ偏光光（←→）は、反射面８２ｅで反射し、２分の１位相板８２ｃを透過することにより、偏光分離面８２ａを透過したＰ偏光光光と同じ方向に偏光した直線偏光光（・）に変換され、偏光変換素子８２より互いに偏光方向が同じである複数の直線偏光光として射出する。偏光変換素子８２からの複数の光束は集光レンズ８とコンデンサーレンズ９とにより画像表示素子１０上で合成される。

画像表示素子１０を透過した光束は投射レンズ１１に導かれる。画像表示素子１０に形成した画像を投射レンズ１１によりスクリーン又は壁などに形成している。

図２１は本発明の実施形態５の要部概略図である。本実施形態は図１７の実施形態４に比べて第２凹レンズアレイ９１と偏光変換素子アレイ９２の形状が異なっていること、コンデンサーレンズ９と画像表示素子１０との間に偏光板９３を配置したことが異なっているだけで、その他の構成は同じである。ここで、偏光変換素子アレイ９２は実施形態４のアレイ８２をアレイ方向に関して丁度半分にしたものである。

本実施形態における偏光変換素子アレイ９２は第２凸レンズアレイ９１を構成する個々レンズ全てに対応するのではなく、第２レンズアレイ９１の中央部のレンズの列を通過する光束のみ偏光変換を行っている。これは放物ミラー２からの平行光束の強度は中央部に集中している為、平行光束の中心部だけを所定の直線偏光光にする偏光変換を設け、偏光がランダム４な平行光の大部分を直線偏光光に変換するようにしている。

このとき第２凸レンズアレイ９１において、偏光変換を行う中央部の光を受ける中央のレンズの大きさａ２１を周辺部のレンズの大きさａ２２よりも大きく設定することにより更に効率良く偏光変換をすることができるようにしている。

又このような構成では偏光変換しない光束はそのまま無偏光状態で液晶パネル１０を照明するので、パネル近傍に偏光板９３を設けている。このような構成にすれば偏光変換素子９２に用いる部品をたとえば半分に減らすことができ、小型化が容易となる。

以上説明した実施形態２〜４の照明装置も図２２の液晶プロジェクターに適用できる。

本発明の実施形態１の要部概略図 図１の一部分の説明図 本発明の実施形態１の光路説明図 図３の一部分の拡大説明図 図４の一部分の拡大説明図 図１の一部分の他の実施形態の説明図 図１の一部分の他の実施形態の説明図 図１の一部分の他の実施形態の説明図 図１１の一部分の他の実施形態の説明図 図１の一部分の他の実施形態の説明図 本発明の実施形態２の要部概略図 本発明の実施形態３の要部概略図 本発明の実施形態３の光路説明図 図１３の一部分の説明図 図１３の一部分の他の実施形態の説明図 図１３の一部分の他の実施形態の説明図 本発明の実施形態４の要部概略図 図１７の一部分の説明図 図１７の一部分の説明図 本発明の実施形態４の光路説明図 本発明の実施形態５の要部概略図 本発明の照明装置２３０が適用される三板式カラー液晶プロジェクターの概略図 従来の照明装置の要部概略図

符号の説明

１ 光源ランプ
２ リフレクター（反射ミラー）
３ レンズ
４，２１，８１ 第１凸レンズアレイ
５ 凹レンズ
６ 第２凸レンズアレイ
７，２２，３１，４１，７１，８２ 偏光変換素子
８ 集光レンズ
９ コンデンサーレンズ
１０ 画像表示素子
１１ 投影レンズ
１１ａ 入射瞳
７ａ 偏光分離面
７ｂ 反射ミラー
７ｃ λ／２板

Claims (6)

1. 複数の画像表示素子と、光源からの光で前記複数の画像表示素子を照明する照明光学系とを有する投影装置であって、
   前記照明光学系が、前記光源からの光を反射して平行光に変換する放物面ミラーと、該放物面ミラーからの前記平行光を収斂光に変換する凸レンズと、前記収斂光を平行な状態に変換する凹レンズと、正の屈折力を有する複数の第１レンズを含み、前記光源からの光を複数の光束に分割する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイの集光位置近傍に、前記複数の第１レンズに対応して配置された、正の屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイからの複数の光束各々を受光する複数の受光部を有し、前記複数の光束各々を特定の方向に偏光した直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイとを有することを特徴とする投影装置。
2. 前記偏光変換素子アレイからの光を色分解する色分解光学系と、前記偏光変換素子アレイと前記色分解光学系との間に配置され、正の屈折力を有する集光レンズと、前記色分解光学系と前記複数の画像表示素子各々との間の光路上に配置された複数のコンデンサーレンズとを有することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記複数のコンデンサーレンズの前記複数の画像表示素子側の面が平面であることを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
4. 前記凸レンズは平凸レンズであって、前記平凸レンズの平面が前記光源側に向いていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投影装置。
5. 前記凹レンズは平凹レンズであって、前記平凹レンズの凹面が前記光源側に向いていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投影装置。
6. 前記偏光変換素子アレイから出射する光を色分解する色分解光学系と、前記色分解光学系と各々の前記複数の画像表示素子との間の光路上に配置された複数のコンデンサーレンズと、前記偏光変換素子と前記色分解光学系との間に配置された集光レンズと、前記複数の画像表示素子からの光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投影装置。