JP3678353B2 - プロジェクタの照明システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投写光学系のプロジェクタにおける光学系に関するものであり、特に、液晶プロジェクタに好適に利用されうる偏光変換素子の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示素子に表示された画像を拡大投影する液晶プロジェクタには、白色光源からの光をレンズアレイにより液晶画像表示素子を均一に照明する照明光学系が用いられる。この照明光学系には特開平８−３０４７３９号公報等にて提案されるように、液晶表示素子の偏光特性に合わせて照明光の偏光方向を揃える偏光変換素子が用いられる。
【０００３】
特開平８−３０４７３９号公報では、インテグレータ光学系と偏光変換光学系を組み合わせた光利用効率の高い偏光照明装置を小型でコンパクトに構成するため、偏光照明装置は、偏光方向がランダムな光を出射する光源部と、矩形状の外形を有する複数の矩形集光レンズから構成され、前記光源からの出射光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第１のレンズ板と、前記複数の２次光源像が形成される位置の近傍に置かれ、集光レンズアレイ、偏光分離プリズムアレイ、λ／２位相差板、および出射側レンズを備えた第２のレンズ板とを有している。インテグレータ光学系を構成する第１のレンズ板によって、微小な２次光源像を生成した段階で、偏光光の分離が行なわれる。よって、偏光光の分離に伴う光路の空間的な広がりを抑制できるので、偏光変換光学系を備えているにもかかわらず、偏光照明装置の小型化を達成できるものである。
【０００４】
図５に、従来例として上記の照明光学系を示す。２つのレンズアレイ４０１、４０２と偏光変換素子４０３とを組み合わせる場合、偏光の分離は第２レンズアレイ４０２の近傍にできる第１のレンズアレイ４０１の集光位置でＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離される。
【０００５】
また、特開平１０−３３３０９７号公報においては、偏光方向の揃った光束を発する光源装置と、この光源装置からの光束を入射させる位置に配置された画像表示素子としての透過型の液晶パネル、そして液晶パネルを透過した光束をスクリーン上に投影する投影レンズとから構成される投射装置において、光源装置は、偏光状態がランダムな光源と、光源からの光を集光する凹面鏡と、光源から入射した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、偏光変換素子から射出した偏光方向が揃った光束の強度分布を均一化するインテグレータとを備え、投影画像に発生する色ムラを防止している。
【０００６】
さらに、特開平１１−２９５６５８号公報においては、座標軸における一方の軸方向のみに偏芯したレンズを備えた第１マルチレンズアレイと、第１マルチレンズアレイの各レンズによって前記一方の軸方向に屈折された光を集光することができるレンズによって構成されている第２マルチレンズアレイを備え、色分離／合成や偏光分離を行なう光学薄膜に対する入射角度補正を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液晶プロジェクタの永遠のテーマともいえるスクリーン輝度競争は年々激しくなってきている。スクリーン輝度を上げる手段の１つとして、パネル照射領域に対してより大きな入射角度、すなわちＦナンバーの小さい照明光学系を作る必要性がある。しいては偏光変換素子に、より大きな入射角度の光を集める必要がある。しかし、偏光変換素子の分離面は、一般に入射角度に依存して分光透過率、反射率の分布が変化するので、入射角度が大きくなると偏光変換素子から出射する光が変化し、パネル等の画像表示素子を照射して、スクリーン上に色むらを発生させるという課題がある。
【０００８】
また、図６に示すように、従来例での偏光変換素子５０２の分離面５０３により反射された光の出射角度は変らないが、光路が長い分、光の広がりが大きくなり、隣り合う偏光分離面での光のロスを発生させていた。
【０００９】
図３及び図４に、入射角度４５°で入射する光を偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に分離するように設計された偏光分離面の分光反射率、分光透過率の分布を示す。図からＳ偏光成分については入射角度が４５°から変化すると長波長側で反射率が増減し、Ｐ偏光成分については短波長側及び中間波長で透過率が減少する事がわかる。
【００１０】
また、このように偏光変換素子への入射角度特性を補正する例として、特開平１０−３３３０９７、特開平１１−２９５６５８等があり、本発明とは違う観点から提案されている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に、本発明によるプロジェクタの照明光学システムは、白色光を発生する光源と、光源からの光を分割集光するための複数のレンズから構成されている第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイの焦点近傍に配置され、第１のレンズアレイの各レンズに対応するレンズから構成されている第２のレンズアレイと、前記白色光源からの光を単一偏光方向に変換する偏光変換素子を配置し、前記第２のレンズアレイの各レンズに対応する各偏光変換素子入射面及び出射面が特定の曲率を有しており、入射波長により異なる入射角度にて偏光変換素子へ入射されるほぼ全ての光を、主光線軸に対しほぼ平行とすることを特徴とする。
【００１２】
さらに好ましくは、前記偏光変換素子入射面及び出射面の特定の曲率がほぼ同じであることを特徴とし、また、前記偏光変換素子入射面及び出射面の曲率方向を同一もしくは反対にする事を特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を用いて、本発明における実施の形態を示す。図２は本願発明が好適に用いられるプロジェクタ光学系配置図であり、図１は図２の光学系配置図のうち、白色光源１０１からの光が、第１のレンズアレイ１０２を通過し、第２のレンズアレイ１０３近傍に集光され、該集光位置近傍に配置される偏光変換素子１０４の拡大図である。白色光源１０１からの光は、スクリーン上の光均一化のため、第１のレンズアレイ１０２のレンズ各々により、第２のレンズアレイ１０３近傍で集光されるが、その集光近傍位置の偏光変換素子１０４の入射面及び出射面が特定の曲率を有することが本願発明では重要である。
【００１４】
図１を用いて、１つのレンズセルを通る３つの光線の動きにて、詳細に説明する。図１に示す３つの光線Ａ、Ｂ（主光線）、Ｃは、この曲率１０５により偏光変換素子への入射角度は光線Ａ，Ｃ共に、主光線であるＢとほぼ平行になるように屈折され、偏光変換素子内部の偏光分離面１０６にそれぞれ約４５°で入射されるような特定の曲率面を有する偏光変換素子である。偏光分離面１０６によりＰ偏光とＳ偏光に分離され、光の利用効率の向上を目的としている。光線を平行にする曲率ｒを以下の近似式で示す。偏光変換素子に入射する光線角度（AとBとの角度）をθ、A〜B間の距離高さをｈ、偏光変換素子の屈折率をｎとすると、次式が成立する。
【００１５】
ｒ＝−ｈ＊（ｎ−１）／θ
このように設計することにより、レンズアレイへの光線入射位置による入射角度の違いをなくす（キャンセルする）ことができるため、最終的に画像が投影されたスクリーン上での色むらの原因となる、入射角度の違う各光線による分光特性の変化を無くす、若しくは低減することが可能となる。図３より、４０度と５０度に比べ４５度の分光特性が６００nm以上の赤色において、反射率の低下もしくは急な落ち込みが抑えられており、赤の明るさによる色むらを低減できる事がわかる。
【００１６】
さらに、偏光分離面での高い透過率、反射率特性も維持できるため、光の利用効率を高めることが可能となる。この事は図４から、４０度と５０度に比べ４５度の分光特性が４００〜７００nmの可視光全域において、反射率の低下がしていない事から読み取ることができる。また、各々の光線の入射角度を、ほぼ４５°近傍にできるので、偏光変換素子内での光線の広がりが無くなり、隣の偏光分離面での干渉ロスを少なくすること、さらに、偏光分離面内での輝度むらの影響を抑えることが可能となる。言いかえると、前述のように光線の広がりを抑える事ができるので、偏光分離面内のコートむらの影響を受け難いものとできる。
【００１７】
次に、偏光分離面１０６を反射した光線は偏光変換素子の出射面の曲率１０７により、入射状態の光線角度にそれぞれ戻され出射される。また、偏光分離面１０６を透過した光線は偏光変換素子の出射面の曲率１０７により、入射状態の光線角度に戻され出射する。この時、入射面と出射面の曲率１０５、１０７をほぼ同じにする事により、出射光線は入射光線の角度を維持し、その後の第１、第２のコンデンサーレンズ１０９、１１０のレンズ作用により、設計通りの光線が液晶パネル１１２に到達可能となる。
【００１８】
図１の場合、入射面と出射面の曲率１０５、１０７は負の曲率である凹レンズで同一曲率方向になっているが、別の光線設計を行った場合、正の曲率である凸レンズで入射し、凹レンズで出射する反対曲率方向になる光学設計でも本発明が適用可能なことは言うまでも無い。
【００１９】
偏光分離面１０６を反射した光は波長板１０８により、偏光分離面を透過した光と同一偏光方向に回転合成され、第１、第２のコンデンサーレンズ１０９、１１０と色分離手段１１１と液晶パネル１１２及び投影レンズ１１３により、スクリーン１１４上、明るく色むらの無い映像が得られる事となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、偏光変換素子の入出射面に曲率を有する事によって、光の利用効率ロス及びスクリーン上の色むらを抑える事が可能となり、結果的にスクリーン投影時の明るさと品位の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる偏光変換素子の光学設計図である。
【図２】本発明の投射型プロジェクタの偏光変換光学系の概略図である。
【図３】入射角度４５°近傍における偏光分離面の分光反射率の分布図である。
【図４】入射角度４５°近傍における偏光分離面の分光透過率の分布図である。
【図５】従来の照明光学系構成図である。
【図６】図５に示す偏光変換素子において行われる偏光変換の概略図である。
【符号の説明】
１０１ 白色光源
１０２ 第１のレンズアレイ
１０３ 第２のレンズアレイ
１０４ 偏光変換素子
１０５ 偏光変換素子の入射曲率面
１０６ 偏光分離面
１０７ 偏光変換素子の出射曲率面
１０８ 波長板
１０９ 第１のコンデンサーレンズ
１１０ 第２のコンデンサーレンズ
１１１ 色分離手段
１１２ 液晶パネル
１１３ 投影レンズ
１１４ スクリーン
４０１ 第１のレンズアレイ
４０２ 第２のレンズアレイ
４０３ 偏光変換素子
４０４ 第１のコンデンサーレンズ
５０１ 第２のレンズアレイ
５０２ 偏光変換素子
５０３ 偏光分離面
５０４ 波長板
【発明の属する技術分野】
本発明は、投写光学系のプロジェクタにおける光学系に関するものであり、特に、液晶プロジェクタに好適に利用されうる偏光変換素子の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示素子に表示された画像を拡大投影する液晶プロジェクタには、白色光源からの光をレンズアレイにより液晶画像表示素子を均一に照明する照明光学系が用いられる。この照明光学系には特開平８−３０４７３９号公報等にて提案されるように、液晶表示素子の偏光特性に合わせて照明光の偏光方向を揃える偏光変換素子が用いられる。
【０００３】
特開平８−３０４７３９号公報では、インテグレータ光学系と偏光変換光学系を組み合わせた光利用効率の高い偏光照明装置を小型でコンパクトに構成するため、偏光照明装置は、偏光方向がランダムな光を出射する光源部と、矩形状の外形を有する複数の矩形集光レンズから構成され、前記光源からの出射光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第１のレンズ板と、前記複数の２次光源像が形成される位置の近傍に置かれ、集光レンズアレイ、偏光分離プリズムアレイ、λ／２位相差板、および出射側レンズを備えた第２のレンズ板とを有している。インテグレータ光学系を構成する第１のレンズ板によって、微小な２次光源像を生成した段階で、偏光光の分離が行なわれる。よって、偏光光の分離に伴う光路の空間的な広がりを抑制できるので、偏光変換光学系を備えているにもかかわらず、偏光照明装置の小型化を達成できるものである。
【０００４】
図５に、従来例として上記の照明光学系を示す。２つのレンズアレイ４０１、４０２と偏光変換素子４０３とを組み合わせる場合、偏光の分離は第２レンズアレイ４０２の近傍にできる第１のレンズアレイ４０１の集光位置でＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離される。
【０００５】
また、特開平１０−３３３０９７号公報においては、偏光方向の揃った光束を発する光源装置と、この光源装置からの光束を入射させる位置に配置された画像表示素子としての透過型の液晶パネル、そして液晶パネルを透過した光束をスクリーン上に投影する投影レンズとから構成される投射装置において、光源装置は、偏光状態がランダムな光源と、光源からの光を集光する凹面鏡と、光源から入射した光束の偏光方向を揃える偏光変換素子と、偏光変換素子から射出した偏光方向が揃った光束の強度分布を均一化するインテグレータとを備え、投影画像に発生する色ムラを防止している。
【０００６】
さらに、特開平１１−２９５６５８号公報においては、座標軸における一方の軸方向のみに偏芯したレンズを備えた第１マルチレンズアレイと、第１マルチレンズアレイの各レンズによって前記一方の軸方向に屈折された光を集光することができるレンズによって構成されている第２マルチレンズアレイを備え、色分離／合成や偏光分離を行なう光学薄膜に対する入射角度補正を行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、液晶プロジェクタの永遠のテーマともいえるスクリーン輝度競争は年々激しくなってきている。スクリーン輝度を上げる手段の１つとして、パネル照射領域に対してより大きな入射角度、すなわちＦナンバーの小さい照明光学系を作る必要性がある。しいては偏光変換素子に、より大きな入射角度の光を集める必要がある。しかし、偏光変換素子の分離面は、一般に入射角度に依存して分光透過率、反射率の分布が変化するので、入射角度が大きくなると偏光変換素子から出射する光が変化し、パネル等の画像表示素子を照射して、スクリーン上に色むらを発生させるという課題がある。
【０００８】
また、図６に示すように、従来例での偏光変換素子５０２の分離面５０３により反射された光の出射角度は変らないが、光路が長い分、光の広がりが大きくなり、隣り合う偏光分離面での光のロスを発生させていた。
【０００９】
図３及び図４に、入射角度４５°で入射する光を偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に分離するように設計された偏光分離面の分光反射率、分光透過率の分布を示す。図からＳ偏光成分については入射角度が４５°から変化すると長波長側で反射率が増減し、Ｐ偏光成分については短波長側及び中間波長で透過率が減少する事がわかる。
【００１０】
また、このように偏光変換素子への入射角度特性を補正する例として、特開平１０−３３３０９７、特開平１１−２９５６５８等があり、本発明とは違う観点から提案されている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に、本発明によるプロジェクタの照明光学システムは、白色光を発生する光源と、光源からの光を分割集光するための複数のレンズから構成されている第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイの焦点近傍に配置され、第１のレンズアレイの各レンズに対応するレンズから構成されている第２のレンズアレイと、前記白色光源からの光を単一偏光方向に変換する偏光変換素子を配置し、前記第２のレンズアレイの各レンズに対応する各偏光変換素子入射面及び出射面が特定の曲率を有しており、入射波長により異なる入射角度にて偏光変換素子へ入射されるほぼ全ての光を、主光線軸に対しほぼ平行とすることを特徴とする。
【００１２】
さらに好ましくは、前記偏光変換素子入射面及び出射面の特定の曲率がほぼ同じであることを特徴とし、また、前記偏光変換素子入射面及び出射面の曲率方向を同一もしくは反対にする事を特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を用いて、本発明における実施の形態を示す。図２は本願発明が好適に用いられるプロジェクタ光学系配置図であり、図１は図２の光学系配置図のうち、白色光源１０１からの光が、第１のレンズアレイ１０２を通過し、第２のレンズアレイ１０３近傍に集光され、該集光位置近傍に配置される偏光変換素子１０４の拡大図である。白色光源１０１からの光は、スクリーン上の光均一化のため、第１のレンズアレイ１０２のレンズ各々により、第２のレンズアレイ１０３近傍で集光されるが、その集光近傍位置の偏光変換素子１０４の入射面及び出射面が特定の曲率を有することが本願発明では重要である。
【００１４】
図１を用いて、１つのレンズセルを通る３つの光線の動きにて、詳細に説明する。図１に示す３つの光線Ａ、Ｂ（主光線）、Ｃは、この曲率１０５により偏光変換素子への入射角度は光線Ａ，Ｃ共に、主光線であるＢとほぼ平行になるように屈折され、偏光変換素子内部の偏光分離面１０６にそれぞれ約４５°で入射されるような特定の曲率面を有する偏光変換素子である。偏光分離面１０６によりＰ偏光とＳ偏光に分離され、光の利用効率の向上を目的としている。光線を平行にする曲率ｒを以下の近似式で示す。偏光変換素子に入射する光線角度（AとBとの角度）をθ、A〜B間の距離高さをｈ、偏光変換素子の屈折率をｎとすると、次式が成立する。
【００１５】
ｒ＝−ｈ＊（ｎ−１）／θ
このように設計することにより、レンズアレイへの光線入射位置による入射角度の違いをなくす（キャンセルする）ことができるため、最終的に画像が投影されたスクリーン上での色むらの原因となる、入射角度の違う各光線による分光特性の変化を無くす、若しくは低減することが可能となる。図３より、４０度と５０度に比べ４５度の分光特性が６００nm以上の赤色において、反射率の低下もしくは急な落ち込みが抑えられており、赤の明るさによる色むらを低減できる事がわかる。
【００１６】
さらに、偏光分離面での高い透過率、反射率特性も維持できるため、光の利用効率を高めることが可能となる。この事は図４から、４０度と５０度に比べ４５度の分光特性が４００〜７００nmの可視光全域において、反射率の低下がしていない事から読み取ることができる。また、各々の光線の入射角度を、ほぼ４５°近傍にできるので、偏光変換素子内での光線の広がりが無くなり、隣の偏光分離面での干渉ロスを少なくすること、さらに、偏光分離面内での輝度むらの影響を抑えることが可能となる。言いかえると、前述のように光線の広がりを抑える事ができるので、偏光分離面内のコートむらの影響を受け難いものとできる。
【００１７】
次に、偏光分離面１０６を反射した光線は偏光変換素子の出射面の曲率１０７により、入射状態の光線角度にそれぞれ戻され出射される。また、偏光分離面１０６を透過した光線は偏光変換素子の出射面の曲率１０７により、入射状態の光線角度に戻され出射する。この時、入射面と出射面の曲率１０５、１０７をほぼ同じにする事により、出射光線は入射光線の角度を維持し、その後の第１、第２のコンデンサーレンズ１０９、１１０のレンズ作用により、設計通りの光線が液晶パネル１１２に到達可能となる。
【００１８】
図１の場合、入射面と出射面の曲率１０５、１０７は負の曲率である凹レンズで同一曲率方向になっているが、別の光線設計を行った場合、正の曲率である凸レンズで入射し、凹レンズで出射する反対曲率方向になる光学設計でも本発明が適用可能なことは言うまでも無い。
【００１９】
偏光分離面１０６を反射した光は波長板１０８により、偏光分離面を透過した光と同一偏光方向に回転合成され、第１、第２のコンデンサーレンズ１０９、１１０と色分離手段１１１と液晶パネル１１２及び投影レンズ１１３により、スクリーン１１４上、明るく色むらの無い映像が得られる事となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、偏光変換素子の入出射面に曲率を有する事によって、光の利用効率ロス及びスクリーン上の色むらを抑える事が可能となり、結果的にスクリーン投影時の明るさと品位の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる偏光変換素子の光学設計図である。
【図２】本発明の投射型プロジェクタの偏光変換光学系の概略図である。
【図３】入射角度４５°近傍における偏光分離面の分光反射率の分布図である。
【図４】入射角度４５°近傍における偏光分離面の分光透過率の分布図である。
【図５】従来の照明光学系構成図である。
【図６】図５に示す偏光変換素子において行われる偏光変換の概略図である。
【符号の説明】
１０１ 白色光源
１０２ 第１のレンズアレイ
１０３ 第２のレンズアレイ
１０４ 偏光変換素子
１０５ 偏光変換素子の入射曲率面
１０６ 偏光分離面
１０７ 偏光変換素子の出射曲率面
１０８ 波長板
１０９ 第１のコンデンサーレンズ
１１０ 第２のコンデンサーレンズ
１１１ 色分離手段
１１２ 液晶パネル
１１３ 投影レンズ
１１４ スクリーン
４０１ 第１のレンズアレイ
４０２ 第２のレンズアレイ
４０３ 偏光変換素子
４０４ 第１のコンデンサーレンズ
５０１ 第２のレンズアレイ
５０２ 偏光変換素子
５０３ 偏光分離面
５０４ 波長板
Claims (3)
- 白色光を発生する光源と、光源からの光を分割集光するための複数のレンズから構成されている第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイの焦点近傍に配置され、第１のレンズアレイの各レンズに対応するレンズから構成されている第２のレンズアレイと、前記白色光源からの光を単一偏光方向に変換する偏光変換素子を配置し、前記第２のレンズアレイの各レンズに対応する各偏光変換素子入射面及び出射面が特定の曲率を有しており、入射波長により異なる入射角度にて偏光変換素子へ入射されるほぼ全ての光を、主光線軸に対しほぼ平行とすることを特徴とするプロジェクタの照明光学システム。
- 請求項１において、前記偏光変換素子入射面及び出射面の特定の曲率がほぼ同じであることを特徴とするプロジェクタの照明光学システム。
- 請求項１において、前記偏光変換素子入射面及び出射面の曲率方向を同一もしくは反対にする事を特徴とするプロジェクタの照明光学システム。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5217822B2 (ja) * | 2008-09-17 | 2013-06-19 | 株式会社ニコン | プロジェクタ装置 |
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2001
- 2001-09-25 JP JP2001290441A patent/JP3678353B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2003098598A (ja) | 2003-04-03 |
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