JP3849400B2 - プロジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶装置を利用したプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、反射型液晶装置を使用したプロジェクタとして特開昭６３−３９２９４号公報に記載された装置が知られている。図１６はこのプロジェクタの一例を示す構成図である。プロジェクタの光学系は偏光ビームスプリッター１０６、第１乃至第３プリズム１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの３個のプリズムで構成されるダイクロイックプリズム１０７、第１乃至第３の反射型液晶装置１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂを備えている。
【０００３】
光源１０１から出射した光束はリフレクター１０２で反射後、集光レンズ１０３にて偏光ビームスプリッター１０６に導かれ偏光分離面１０６ａに入射する。偏光分離面１０６ａに入射した光束のＳ偏光成分は反射されて不要光として系外に導かれ、Ｐ偏光成分は偏光分離面１０６ａを透過して色分離合成素子であるダイクロイックプリズム１０７に入射する。
【０００４】
ダイクロイックプリズム１０７は入射したＰ偏光光束を第１、第２及び第３の色成分光束にそれぞれ分離して出射するものであり、第１プリズム１０７ａの第２プリズム１０７ｂ側の面１０７ｄ及び第２プリズム１０７ｂの第３プリズム１０７ｃ側の面１０７ｅにはダイクロイック膜が形成されている。、面１０７ｄに青色光を反射しそれより長波長域の光を透過させるダイクロイック膜が形成され、面１０７ｅに赤色光を反射し緑色光を透過させるダイクロイック膜が形成されている。したがって、青色光束は面１０７ｄで反射され第１の反射型液晶装置１０８Ｂに入射し、赤色光束は面１０７ｅで反射され第２の反射型液晶装置１０８Ｒに入射し、緑色光束は第３の反射型液晶装置１０８Ｇに入射する。
【０００５】
反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは映像信号に応じて各色光束の位相状態を変調する。従って、反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを反射した各色光束は映像信号に応じてＳ偏光成分も有する光束となり、入射時とは逆の経路をたどってダイクロイックプリズム１０７にて合成される。合成された光束は再び偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面１０６ａに入射し、Ｓ偏光成分は反射後、投写レンズ１０９にてスクリーン１１０に投影され画像を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の反射型液晶装置を用いたプロジェクタにおいては表示画像のコントラスト特性が悪いという課題があった。その原因を図１７、１８を用いて説明する。
【０００７】
図１７は偏光ビームスプリッターへの光線の入射角度の定義を説明する図である。まず図１７（ａ）に示すように、偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂと光軸１１１を含む面３０１に含まれる入射光線成分１７０１を考え、この光線成分１７０１が光軸１１１となす角をθと定義し、以後この角度θを面３０１内にある角度という意味で面内入射角度とする。また入射光線成分１７０１を面内入射成分と呼ぶ。なお、光軸は、光の中心軸によって規定される仮想軸である。
【０００８】
また、図１７（ｂ）に示すごとく面３０１に垂直な面１７０３に含まれる光線成分１７０２が光軸１１１となす角をψとし、以後この角度ψを垂直入射角度とする。また入射光線成分１７０２を垂直入射成分と呼ぶ。
【０００９】
図１８は一般的な偏光ビームスプリッターのコントラストの光線入射角度依存性を面内入射成分と垂直入射成分に分けて示したものであり、縦軸に相対的なコントラストを横軸に入射角度をとっている。実線は面内入射成分のコントラストの入射角度依存性を示し、破線は垂直入射成分のコントラストの入射角度依存性を示しを示している。
【００１０】
この図からわかるように、偏光ビームスプリッターのコントラストは面内入射角度成分と垂直入射角度成分で大きく異なり、後者のそれは前者のそれに対して入射角度の絶対値が大きくなるに連れて著しく劣化する。従って、偏光ビームスプリッターに入射する光線の垂直入射角度成分が大きくなると表示画像のコントラストが劣化することとなる。
【００１１】
以上述べた偏光ビームスプリッターのコントラスト入射角依存性を考慮して高いコントラスト性能を実現し、さらには、高いコントラスト性能を維持したまま表示画像の明るさ、その均一性を向上させたプロジェクタの構成は知られていない。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的とするところは、コントラスト特性、明るさ、明るさの均一性に優れた反射型液晶装置を用いたプロジェクタを実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のプロジェクタは、複数の光源像を反射型液晶装置上で重畳させる照明光学系と、前記照明光学系と前記反射型液晶装置との間に配置された偏光分離面と、前記偏光分離面によって選択された光を投射する投射レンズと、を備えるプロジェクタであって、
前記照明光学系は出射端面の形状が略長方形であるグラスロッドを備えており、前記出射端面の長辺が、前記偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して略直交することを特徴とする。
【００１４】
後程詳細を述べるようにグラスロッド出射光束の長辺に平行な成分の角度分布は短辺に平行な成分のそれに比べて低角度成分の割合が多くなる。また、先述したように偏光分離面に入射する光束において垂直入射角度成分の大きな角度成分の比率が大きくなると投写画像のコントラストが著しく劣化する。
【００１５】
本発明のプロジェクタでは、グラスロッド出射光束の長辺に平行な成分と、偏光分離面への入射光束の垂直成分が一致するようにグラスロッドと偏光分離面とを配置してあるため、コントラストの劣化を小さくすることが可能となり、投写画像のコントラストを高めることが可能となる。
【００１６】
本発明のプロジェクタにおいて、前記光源と前記偏光ビームスプリッターの間の光路上に、前記光源から出射されたされた光束を偏光面の揃った光束に変換する偏光変換手段が配置され、前記偏光変換手段は、交互に配列された複数の反射膜と偏光分離膜とを有し、前記反射膜と偏光分離膜の配列方向は、前記グラスロッドの出射端面の長辺に略平行であることが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、照明光学系に偏光変換手段を含むため、投写画像の明るさを向上させることが可能となる。さらには、偏光変換手段により光源像の増加する方向を比較的照度比の低いグラスロッドの長辺方向と一致させてあるので、グラスロッドだけでは補えきれない照度比の向上を補完することが可能となる。
【００１８】
なお、この場合、前記偏光変換手段は前記複数の光源像が形成される位置の近傍に配置されていることが好ましい。このような構成とすれば、グラスロッドによる複数の光源像形成位置に前記偏光変換手段を配置するため、効率よく投写画像の明るさの向上を図ることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面などを参照しながら、本発明の実施の形態をあげて、さらに詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の光学系の全体像を示す図である。
【００２１】
本実施形態のプロジェクタは、光源１０１と、リフレクター１０２（反射手段）と、集光レンズ１０３（第１の集光手段）と、グラスロッド１０４と、集光レンズ１０５（第２の集光手段）と、偏光ビームスプリッター１０６（偏光分離手段）と、ダイクロイックプリズム１０７（色分離・合成素子）と反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂと、投写レンズ１０９（結像手段）を備えており、反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂの像を合成してスクリーン１１０上に表示するものである。また、集光レンズ１０５は、グラスロッド１０４の出射端面１０４ｂの像を反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂ上に結像する機能を有している。反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂはそれぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を入力された各色別の入力信号に応じて画像形成部に形成する。これ以降の説明においては各色別の反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを一括して指し示す場合は反射型液晶装置１０８と呼ぶことにする。なお、説明の便宜上、同構成における座標軸を以下のように定める。
【００２２】
光源１０１を出射した光束が液晶装置１０８に入射した後、反射して偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面１０６ａに至る光路の光軸１１１に平行にｙ軸を設定する。また、同光束が偏光分離面１０６ａで反射後、投写レンズ１０９を経てスクリーン１１０に至る光路の光軸１１２に平行にｘ軸を設定する。また、偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂはｘ−ｙ平面に平行な面に含まれるものとする。ｚ軸はｘ−ｙ平面に垂直に設定する。なお、以降においては特に断りの無い限り偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂは偏光分離面１０６ａと光軸１１１の交点における偏光分離面の法線を指し示すこととする。この定義によれば偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂはｘ−ｙ平面に含まれることとなる。
【００２３】
光源１０１から出射した光束はリフレクター１０２で反射されてグラスロッド１０４の入射端面１０４ａからグラスロッド１０４に入射する。
【００２４】
グラスロッド１０４は、投写画像の明るさの均一性を向上させるための均一照明光学系の一部を構成している。このような均一照明光学系の原理については、International Display Workshop '98予稿集Ｐ７２１に紹介されている。この照明光学系の機能を図２を用いて説明する。
【００２５】
図２(ａ)はグラスロッドを用いた均一照明光学系の構成図である。グラスロッド１０４はガラスを断面が矩形形状の六面体としたものである。グラスロッド１０４ｂの出射端面１０４ａは略長方形であり、反射型液晶装置１０８の画像形成領域とほぼ相似形状となっている。ここで、略長方形とは、角が面取りされた長方形など、実質的に長方形と見なせる形状を含むものである。出射端面１０４ａと反射型液晶装置１０８とは、長辺どうし、短辺どうしが対応するように配置されている。
【００２６】
なお、本図においては説明を簡単にするために、集光レンズ１０３、偏光ビームスプリッター１０６、ダイクロイックプリズム１０７は省略してある。また、本実施形態では光束をグラスロッド１０４の入射端面１０４ａに向けて集光する集光手段として集光レンズ１０３を用いているが、リフレクター１０２を楕円リフレクターのように集光機能を有するリフレクターとすれば、集光レンズ１０３を省略することも可能である。
【００２７】
本構成の照明光学系においては、集光レンズ１０５を構成する二つのレンズ１０５ａと１０５ｂの間の仮想面５０１の近傍に複数の光源像が形成される。
【００２８】
図２（ｂ）は仮想面５０１を反射型液晶装置１０８側から見た時の複数の光源像１４０１の様子を示したものであり、個々の光源像１４０１が仮想面内５０１にｙ軸、ｚ軸を対称軸として軸対称に配列している。
【００２９】
反射型液晶装置１０８にはこれらの複数の光源像１４０１からの光束が重畳して照射されるため、個々の光源像が有する照明ムラが平均化されることにより、その面内の明るさのムラは極めて少なく従ってその投写画像も明るさの均一性が極めて高いものとなる。また、グラスロッド１０４の出射端面１０４ｂの形状は反射型液晶装置１０８の画像表示領域と略相似に形成されており、集光レンズ１０５により所望の倍率で反射型装置１０８上に結像されるため光のロスが少ない。
【００３０】
図３は均一照明光学系において仮想面５０１近傍に複数の光源像が形成されるメカニズムの説明図である。
【００３１】
図３（ａ）に光源１０１から立体角ωａに放射される光束の光路を示す。この光束は光軸１１１に対して比較的小さな角度で入射端面１０４ａの中心Ｃに入射しグラスロッド１０４の内部では一回も反射する事無く出射面１０４ｂを出射しレンズ１０５ａによって仮想面５０１上の集光点１５０１の近傍に集光する。同様に光源１０１を出射した光束で入射面１０４ａのＣ以外の領域に入射した光束でグラスロッド１０４内で一度も反射をしない光束は集光点１５０１の近傍に集光されそれらによって集光点１５０１近傍の光源像が形成される。
【００３２】
図３（ｂ）に光源１０１から立体角ωｂに放射される光束の光路を示す。この光束は光軸１１１に対して比較的大きな角度で入射面１０４ａの中心Ｃに入射しグラスロッド１０４の内部で一回反射をしてグラスロッドを出射しレンズ１０５ａによって仮想面５０１上の集光点１５０２の近傍に集光する。同様に光源１０１を出射した光束で入射面１０４ａのＣ以外の領域に入射した光束でグラスロッド１０４内で一回反射する光束は集光点１５０２の近傍に集光されそれらによって集光点１５０２近傍の光源像が形成される。
【００３３】
上記の光束以外にもグラスロッド内で２回以上反射する光束や、グラスロッドの紙面に平行な側面で反射される光束により集光点１５０１，１５０２以外の点にも複数の光源像が形成される。
【００３４】
再び図１に戻って説明を行なう。グラスロッド１０４から射出された光は集光レンズ１５０を介して偏光ビームスプリッター１０６に導かれ、偏光分離面１０６ａに入射する。偏光分離面１０６ａに入射した光束のＳ偏光成分は反射されて不要光として系外に導かれ、Ｐ偏光成分は偏光分離面１０６ａを透過してダイクロイックプリズム１０７に入射する。
【００３５】
ダイクロイックプリズム１０７は入射したＰ偏光光束を第１、第２及び第３の色成分光束にそれぞれ分離して出射するものであり、第１プリズム１０７ａの第２プリズム１０７ｂ側の面１０７ｄ及び第２プリズム１０７ｂの第３プリズム１０７ｃ側の面１０７ｅにはダイクロイック膜が形成されている。本実施形態では、面１０７ｄに青色光を反射しそれより長波長域の光を透過させるダイクロイック膜が形成され、面１０７ｅに赤色光を反射し緑色光を透過させるダイクロイック膜が形成されている場合は青色光束は面１０７ｄで反射され第１の反射型液晶装置１０８Ｂに入射し、赤色光束は面１０７ｅで反射され第２の反射型液晶装置１０８Ｒに入射し、緑色光束は第３の反射型液晶装置１０８Ｇに入射する。
【００３６】
反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは映像信号に応じて各色光束の位相状態を変調する。従って、反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを反射した各色光束は映像信号に応じてＳ偏光成分も有する光束となり、入射時とは逆の経路をたどってダイクロイックプリズム１０７にて合成される。合成された光束は再び偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面１０６ａに入射し、そのうちＳ偏光成分のみが反射されて、投写レンズ１０９を介してスクリーン１１０に投写される。
【００３７】
なお、本実施形態ではＰ偏光成分の光を液晶装置１０８に入射し、Ｓ偏光成分の光を投写するようにしているが、逆に、Ｓ偏光成分の光を液晶装置１０８に入射し、Ｐ偏光成分の光を投写するようにしてもよい。また、面１０７ｄ、面１０７ｅに形成するダイクロイック膜の波長特性は本例で説明した特性に限定されない。さらに、液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを配置する位置についても図１の構成に限定されない。
【００３８】
図４は本実施形態における反射型液晶装置１０８、偏光ビームスプリッター１０６、グラスロッド出射端面１０４ｂの光学的配置関係の説明図である。なお、本図においては説明の便宜上、グラスロッド１０４と偏光ビームスプリッター１０６の間に配置してある集光レンズ１０５、偏光ビームスプリッター１０６と反射型液晶装置１０８の間に配置してあるダイクロイックプリズム１０７は省略して描いてある。また、Ｒ，Ｇ，Ｂ３枚の反射型液晶装置は光学的に全く等価な配置にあるので１枚の反射型液晶装置１０８で代表させて描いてある。なお、以降の説明において反射型装置１０８は反射型装置の画像形成領域を指し示すものとする。
【００３９】
本実施例においては反射型液晶装置の長辺２０１、およびグラスロッド出射端面１０４ｂの長辺２０２が偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面の法線１０６ｂと光軸１１１を含む面に略直交するように配置されている。
【００４０】
これを図５を用いて更に詳細に説明する。図５（ａ）における斜線を施した面３０１は偏光分離面の法線と光軸１１１を含む面を示しており、先述の定義によりそれはｘ−ｙ平面である。図５（ｂ）はｙ軸の正方向から見たときの面３０１とグラスロッド出射端面１０４ａの位置関係を示している。図５（ｂ）から明らかなように面３０１とグラスロッド出射端面１０４ａの長辺２０２は略直交している。また、グラスロッド出射端面１０４ａは反射型液晶装置１０８と略相似形状で同じ方位で配置されているので反射型液晶装置１０８の長辺２０１も同様に面３０１に略直交している。
【００４１】
このような配置をとった場合の偏光ビームスプリッター１０６への入射光束の入射角度分布を図６にしめす。この図は横軸に入射角度を縦軸に相対強度をとったものである。ここで実線は図１７で説明した面内入射成分の角度分布を示し横軸の入射角度はθに対応する。また点線は垂直入射成分の角度分布をしめし横軸の入射角度はψに対応する。図６から明らかなように垂直入射成分は入射角度範囲Ａの低角度成分の比率が高く、入射角度範囲Ｂの高角度成分はほとんど無い。その一方で面内角度成分は入射角度範囲Ａの低角度成分の比率は垂直成分のそれに比して少なく、入射角度範囲Ｂの高角度成分も持っている。
【００４２】
この理由を図７、図８を用いて説明する。
【００４３】
図７（ａ）、図８（ａ）は照明光学系の光源から光源像の結像面５０１までの光路をグラスロッド１０４の短辺側から見た側面図であり、本態様においてはこの面内の光束成分は偏光ビームスプリッター１０６における面内成分に一致する。
【００４４】
図７（ｂ）、図８（ｂ）は照明光学系の光源から光源像の結像面５０１までの光路をグラスロッド１０４の長辺２０２側から見た側面図であり、本態様においてはこの面内の光束成分は偏光ビームスプリッター１０６における垂直成分に一致する。
【００４５】
なお、図７、図８においては集光レンズ１０３を省略してある。
【００４６】
図７はグラスロッド１０４内で１回も反射せずに光源像を形成する光束の光路を示している。この光束による光源像はほぼ光軸１１１の近傍に形成されるため、その光源像からの偏光ビームスプリッターへの入射角度は小さなものとなる。図６における範囲Ａの低角度成分の大半はこの光束によるものである。
【００４７】
いま、図７（ａ）におけるこの光束の光源１０１からの放射立体角をω１とする。同様に、図７（ｂ）における放射立体角をω１'とする。ここで、図７（ａ）におけるグラスロッド１０４の幅Ｗ１はその端面の短辺の長さに等しく、図７（ｂ）における幅Ｗ２はの長辺の長さに等しいので、Ｗ１＜Ｗ２の関係に有る。次に、図７（ａ）におけるグラスロッド１０４の入射端面の中心点Ｃ、出射端面の上端点Ｕ、下端点Ｐで形成される三角形ＣＵＰと図７（ｂ）におけるグラスロッド１０４の入射端面の中心点Ｃ、出射端面の上端点Ｕ'、下端点Ｐ'で形成される三角形ＣＵ'Ｐ'とを比較すると、ＵＰ＜Ｕ'Ｐ'の関係がある。したがって、図７（ａ）におけるグラスロッド１０４内の光束の立体角ω２と、図７（ｂ）におけるグラスロッド内の光束の立体角ω２'の大小関係はω２＜ω２'であることがわかる。また図から、光源１０１からの光束の放射立体角はグラスロッド内の光束の立体角に比例するので図７（ａ）における放射立体角ω１と図７（ｂ）における放射立体角ω１'の大小関係はω１＜ω１'となる。したがって、光軸近傍に形成される光源像の強度はより大きな放射立体角を有する光束で形成される図７（ｂ）の方が大きい。これを偏光ビームスプリッターへの入射角度に置き換えてみると、先述したグラスロッド１０４の出射端面と偏光ビームスプリッターとの配置関係から垂直入射成分の低角度成分が多くなることを意味する。
【００４８】
図８はグラスロッド内で１回反射して光源像を形成する光束の光路を示している。従来の技術の項において説明したようにこの光束による光源像は光軸１１１から離れた位置に形成される。従って、そこからの光束は光軸近傍に形成される光源像からの光束に比べて偏光ビームスプリッターへより大きな入射角度で入射する。
【００４９】
図７で説明したように図８（ａ）と図８（ｂ）ではグラスロッド１０４の幅Ｗ１、Ｗ２が異なるため、グラスロッド１０４へ最も大きな立体角で入射する光線６０１と６０２が光軸となす角度ω３とω３'は異なる。そして図７の説明とほぼ同様な考え方によりω３＜ω３'であることがわかる。次に、図８（ａ）におけるグラスロッドの入射端面の中心点Ｃ、光線６０１とリフレクター１０２の交点Ｍ、交点Ｍから光軸１１１に垂直に降ろした垂線と光軸の交点Ｎで形成される三角形ＣＭＮと、図８（ｂ）におけるグラスロッドの入射端面の中心点Ｃ、光線６０２とリフレクター１０２の交点Ｍ'、交点Ｍ'から光軸１１１に垂直に降ろした垂線と光軸の交点Ｎ'で形成される三角形ＣＭ'Ｎ'とを比較すると、ω３＜ω３'の関係からＣＮ＞ＣＮ'が導かれる。したがって交点Ｍ'は、交点Ｍよりリフレクター１０２の縁に近い位置にあることがわかる。
【００５０】
グラスロッド内で２回以上反射した光束は反射回数に比例してより光軸から離れた位置に光源像を形成する。したがってその光束の偏光ビームスプリッターへの入射角度は反射回数に比例して大きなものとなる。図６における角度範囲Ｂの高角度成分の大半はこの光束によるものである。
【００５１】
この２回以上グラスロッド１０４内で反射する光束は、１回反射する光束よりも光軸１１１に対して大きな角度でグラスロッドに入射する。したがってその光束が光源１０１に対して張る放射立体角は図８（ａ）では交点Ｍとリフレクター１０２の縁にはさまれたω４、図８（ｂ）では交点Ｍ'とリフレクター１０２の縁にはさまれたω４'であり、先述の議論から交点Ｍ'は、交点Ｍよりリフレクター１０２の縁に近い位置にあるので、その大小関係はω４＞ω４'である。したがって、光軸から離れた位置に形成される光源像の強度は図８（ｂ）の成分の方が小さい。これを偏光ビームスプリッターへの入射角度に置き換えてみると、先述したグラスロッド出射端面と偏光ビームスプリッターの配置関係から垂直入射成分の高角度成分が少なくなることを意味する。
【００５２】
以上、本実施例の構成において、偏光ビームスプリッターへの入射光束の垂直入射成分は、低角度成分の比率が高く逆に高角度成分はほとんど無い理由と、面内成分は、低角度成分が比較的少なく逆に高角度成分が多くなる理由を説明した。
【００５３】
図１８に示したように、垂直入射成分は角度が大きくなると急激に表示画像のコントラストを劣化させる。本実施形態の構成における垂直入射成分はコントラストの高い低角度成分が多く、その逆の高角度成分は少ない。一方、水平角度成分は高角度成分を有するものの、図１８に示すようにこの成分によるコントラスト劣化は小さい。
【００５４】
以上の理由により、本実施形態の構成によれば、表示画像のコントラストを高く維持する事が可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態で説明したように、均一照明光学系を用いれば、反射型液晶装置にはグラスロッドと集光レンズによって形成される複数の光源像からの光束が重畳して照射されるため、個々の光源像が有する照明ムラが平均化され、その面内の明るさのムラは少なくなり、従ってその投写画像も明るさの均一性が極めて高いものとなる。しかしながら、それぞれの光源像は光源からの放射立体角が異なる光束成分で形成されており、従ってその強度は異なる。また、図８を用いて説明したように、グラスロッドの端面の長辺方向に分離された光源像の強度は短辺方向に分離された光源像に比べより小さい放射立体角光束で形成されるため、その強度は比較的小さくなる。この結果、短辺方向に分離された個々の光源像の強度のばらつきに対して長辺方向に分離された個々の光源像の強度のばらつきが大きくなり、それが原因となって投写画像の長辺方向と短辺方向の照度ムラに相違が生じる。
【００５６】
この様子を図９を用いて説明する。図９（ａ）は投写画像７０１の各部位における明るさを示したグラフであり、縦軸に相対的な明るさを、横軸に各部位の投写画像中心からの距離をとってある。実線は図９（ｂ）に示すところの投写画像７０１の中心を通り短辺に平行な軸７０２上の各部位の明るさを示し、破線は投写画像７０１の中心を通り長辺に平行な軸７０３上の各部位の明るさを示している。図９（ａ）からも明らかなように、投写画像の横方向（軸７０３に平行な方向）の照度比は縦方向（軸７０２に平行な方向）のそれよりも大きくなっている。これは、長辺方向に分離された個々の光源像の強度のばらつきが大きいことに起因する。
【００５７】
図１０は、本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の光学系の全体像を示す図である。本実施形態においては図１に示した第１の実施形態の光学系に対してグラスロッド１０４とレンズ１０５ａにより複数の光源像が形成される位置の近傍に偏光変換素子８０１が配置されている。この偏光変換素子８０１以外の構成要素およびその配置ならびに変形の形態については実施形態１と同様であるため、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
偏光変換素子８０１は、偏光方向がランダムな光を１種類の偏光光に変換して投射画像の明るさを向上させるための素子であり、特開平８−３０４７３９号等に紹介されている。
【００５９】
図１１（ａ）を用いて本実施形態の照明光学系を説明する。本図においては説明を簡単にするために集光レンズ１０３、偏光ビームスプリッター１０６、ダイクロイックプリズム１０７を省略してある。
【００６０】
光源１０１を出射した光束は、第１実施形態で説明したように、楕円リフレクター１０２、グラスロッド１０４、レンズ１０５ａ、１０５ｂにより反射型液晶装置１０８を照明する。偏光変換素子８０１は、図２における仮想面５０１の近傍に配置される。
【００６１】
図１１（ｂ）は偏光変換素子８０１の断面構成図、図１１（ｃ）は入射側から見た斜視図である。偏光変換素子８０１は、断面が平行四辺形である複数の透光性部材８０１ａ、８０１ｂの間に、反射膜８０１ｄと偏光分離膜８０１ｃとが交互に配置された構成となっている。グラスロッド１０４とレンズ１０５ａにより形成された複数の光源像１４０１は、図１１（ｃ）に示すように透光性部材８０１ａの入射面近傍に集光する。この光束のうちＰ偏光成分１６０２は図１１（ｂ）に示すごとく偏光分離膜８０１ｃを透過し、透光性部材８０１ｂの出射面に形成されたλ／２位相差板８０１ｅによって偏光振動面が９０°回転され、Ｓ偏光となって偏光変換素子８０１から出射される。一方、Ｓ偏光成分１６０３は偏光分離膜８０１ｃで反射され、反射膜８０１ｄで反射され、Ｓ偏光のまま出射される。したがって偏光変換素子８０１への入射時点で偏光方向がランダムであった光束は、ほとんど単一の直線偏光（本実施形態ではＳ偏光）の光に変換される。
【００６２】
なお、本実施形態ではＳ偏光に変換するようにしたが、Ｐ偏光に変換することも可能である。この場合は透光性部材８０１ａの出射面にλ／２位相差板８０１ｅを設ければよい。
【００６３】
図１２は本実施形態における偏光ビームスプリッター１０６、偏光変換素子８０１、グラスロッド１０４の出射端面１０４ｂの光学的配置関係の説明図である。なお、本図においては説明の便宜上、グラスロッド１０４、偏光変換素子８０１および偏光ビームスプリッター１０６の間に配置してある集光レンズ１０５は省略して描いてある。
【００６４】
本実施形態においては偏光変換素子８０１の反射膜８０１ｄと偏光分離面８０１ｃの配列方向８０１ｅが偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面の法線１０６ｂと光軸１１１を含む面に略直交するように配置されている。
【００６５】
図１３（ａ）は偏光分離面の法線と光軸１１１を含む面３０１を示しており、第１の実施形態における定義によりそれはｘ−ｙ平面である。図１３（ｂ）は面３０１と偏光変換素子８０１の反射膜８０１ｄと偏光分離面８０１ｃの対の配列方向８０１ｆの位置関係を示している。図１３（ｂ）から明らかなように面３０１と配列方向８０１ｆは直交している。
【００６６】
このように偏光変換素子８０１を配置した場合、光源像は偏光変換素子８０１の配列方向８０１ｆの方向に分割され、その出射側から見ると、図１４に示すように配列される。ここで、実線で描いてある光源像は偏光変換素子８０１への入射時点における照明光束のＰ偏光成分で形成されている。また破線で描いてある光源像は偏光変換素子８０１への入射時点における照明光束のＳ偏光成分で形成されており、本来の光源像に対してＺ軸と平行である配列方向８０１ｆ側にシフトして見える。
【００６７】
本実施形態においてはグラスロッドの端面１０４ｄの長辺方向側に光源像が倍増しているため、反射型装置における光束の重畳による長辺方向側の照度ムラを低減する効果が倍増する。その結果、短辺方向側に比べて劣っていた照度ムラを改善することができ、表示画像の照度の均一性を更に高めることが可能となる。
【００６８】
また偏光変換素子８０１を使用することにより光利用効率が向上し明るい投写画像を表示できることは言うまでもない。
【００６９】
（第３の実施形態）
本発明の第１、第２の実施形態においては、これまでの説明から明らかなように、表示画像の長辺が図１のｚ軸に平行になる。したがって本発明のプロジェクタはｙ軸方向を上にした縦長の形態となり実際の使用環境においては装置の設置位置の自由度や安定性が低いものとなる。
【００７０】
本発明の第３の実施形態は、このような課題を回避するための構成を提供するものであり図１５（ａ）、（ｂ）に示すごとく偏光ビームスプリッター１０６と照明光学手段の間に折り返しミラー１２０１を配置することにより装置全体の縦方向長さを短くしている。折り返しミラー１２０１以外の構成要素の構成及び配置ならびに変形の形態については、第２の実施形態と同様であるため、第２の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。なお、本実施形態は、第２の実施形態に折り返しミラー１２０１を追加した構成となっているが、第１の実施形態に折り返しミラー１２０１を追加することも可能である。
【００７１】
折り返しミラー１２０１は、図１５（ａ）に示すごとくｘ−ｙ平面に対して垂直に配置しても、図１５（ｂ）のごとくｙ−ｚ平面に対して垂直に配置してもかまわない。さらには図１５においてはレンズ１０５ｂと偏光ビームスプリッター１０６の間に折り返しミラー１２０１が配置されているが、これに限定されること無く、例えばレンズ１０５ａと１０５ｂの間に配置してもよく、さらには装置全体のコンパクト化を図るために照明光学手段内に別の折り返しミラーを配置してもよい。
【００７２】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形や変更が可能である。
【００７３】
例えば、グラスロッド１０４として光軸に沿った方向にテーパーがついたテーパードグラスロッドや、側面を反射ミラーで構成した中空状のロッドを使用してもかまわない。
【００７４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明のプロジェクタによれば、グラスロッド端面の長辺方向を偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して垂直に配置することにより、高いコントラストを有するプロジェクタを実現することができる。さらには、偏光変換素子の反射膜と偏光分離面の対の配列方向を偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して垂直に配置することにより、高いコントラストを有し、明るく、かつ、明るさの均一性に優れたプロジェクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の構成図。
【図２】 グラスロッド照明系の構成図。
【図３】 グラスロッド照明系の作用の説明図。
【図４】 第１の実施形態における構成要素の配置図。
【図５】 第１の実施形態における構成要素の配置図。
【図６】 偏光ビームスプリッターへの入射光束の強度と入射角度の関係を示す図。
【図７】 光路の説明図。
【図８】 光路の説明図。
【図９】 投写画像の部位における明るさを示す図。
【図１０】 本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の構成図。
【図１１】 偏光変換素子の構成図。
【図１２】 第２の実施形態における構成要素の配置図。
【図１３】 第２の実施形態における構成要素の配置図。
【図１４】 第２の実施形態における光源像の説明図。
【図１５】 本発明によるプロジェクタの第４の実施形態の構成図。
【図１６】 従来のプロジェクタの構成図。
【図１７】 偏光ビームスプリッターへの光束入射角度の定義の説明図。
【図１８】 偏光ビームスプリッターへの光線入射角度とコントラストの
関係を示す図。
【符号の説明】
１０１ 光源
１０２ リフレクター
１０３ 集光レンズ
１０４ グラスロッド
１０４ａ 入射端面
１０４ｂ 出射端面
１０５ 集光レンズ
１０５ａ レンズ
１０５ｂ レンズ
１０６ 偏光ビームスプリッター
１０６ａ 偏光分離面
１０６ｂ 偏光分離面の法線
１０７ ダイクロイックプリズム
１０７ａ プリズム
１０７ｂ プリズム
１０７ｃ プリズム
１０８ 反射型液晶装置
１０８Ｒ 赤画像用反射型液晶装置
１０８Ｇ 緑画像用反射型液晶装置
１０８Ｂ 青画像用反射型液晶装置
１０９ 投写レンズ
１１０ スクリーン
１１１ 光軸
１１２ 光軸
２０１ 反射型液晶装置の長辺
２０２ 出射端面の長辺
３０１ 偏光分離面の法線と光軸を含む面
５０１ 光源像形成面
６０１ 光線
６０２ 光線
７０１ 表示画像
７０２ 表示画像の短辺に平行な軸
７０３ 表示画像の長辺に平行な軸
８０１ 偏光変換素子
８０１ａ 透光性部材
８０１ｂ 透光性部材
８０１ｃ 偏光分離膜
８０１ｄ 反射膜
８０１ｅ λ／２板
８０１ｆ 配列方向
１２０１ 折り返しミラー
１４０１ 光源像
１５０１ 集光点
１７０１ 光線
１７０２ 光線
１７０３ 面
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶装置を利用したプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、反射型液晶装置を使用したプロジェクタとして特開昭６３−３９２９４号公報に記載された装置が知られている。図１６はこのプロジェクタの一例を示す構成図である。プロジェクタの光学系は偏光ビームスプリッター１０６、第１乃至第３プリズム１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの３個のプリズムで構成されるダイクロイックプリズム１０７、第１乃至第３の反射型液晶装置１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂを備えている。
【０００３】
光源１０１から出射した光束はリフレクター１０２で反射後、集光レンズ１０３にて偏光ビームスプリッター１０６に導かれ偏光分離面１０６ａに入射する。偏光分離面１０６ａに入射した光束のＳ偏光成分は反射されて不要光として系外に導かれ、Ｐ偏光成分は偏光分離面１０６ａを透過して色分離合成素子であるダイクロイックプリズム１０７に入射する。
【０００４】
ダイクロイックプリズム１０７は入射したＰ偏光光束を第１、第２及び第３の色成分光束にそれぞれ分離して出射するものであり、第１プリズム１０７ａの第２プリズム１０７ｂ側の面１０７ｄ及び第２プリズム１０７ｂの第３プリズム１０７ｃ側の面１０７ｅにはダイクロイック膜が形成されている。、面１０７ｄに青色光を反射しそれより長波長域の光を透過させるダイクロイック膜が形成され、面１０７ｅに赤色光を反射し緑色光を透過させるダイクロイック膜が形成されている。したがって、青色光束は面１０７ｄで反射され第１の反射型液晶装置１０８Ｂに入射し、赤色光束は面１０７ｅで反射され第２の反射型液晶装置１０８Ｒに入射し、緑色光束は第３の反射型液晶装置１０８Ｇに入射する。
【０００５】
反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは映像信号に応じて各色光束の位相状態を変調する。従って、反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを反射した各色光束は映像信号に応じてＳ偏光成分も有する光束となり、入射時とは逆の経路をたどってダイクロイックプリズム１０７にて合成される。合成された光束は再び偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面１０６ａに入射し、Ｓ偏光成分は反射後、投写レンズ１０９にてスクリーン１１０に投影され画像を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の反射型液晶装置を用いたプロジェクタにおいては表示画像のコントラスト特性が悪いという課題があった。その原因を図１７、１８を用いて説明する。
【０００７】
図１７は偏光ビームスプリッターへの光線の入射角度の定義を説明する図である。まず図１７（ａ）に示すように、偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂと光軸１１１を含む面３０１に含まれる入射光線成分１７０１を考え、この光線成分１７０１が光軸１１１となす角をθと定義し、以後この角度θを面３０１内にある角度という意味で面内入射角度とする。また入射光線成分１７０１を面内入射成分と呼ぶ。なお、光軸は、光の中心軸によって規定される仮想軸である。
【０００８】
また、図１７（ｂ）に示すごとく面３０１に垂直な面１７０３に含まれる光線成分１７０２が光軸１１１となす角をψとし、以後この角度ψを垂直入射角度とする。また入射光線成分１７０２を垂直入射成分と呼ぶ。
【０００９】
図１８は一般的な偏光ビームスプリッターのコントラストの光線入射角度依存性を面内入射成分と垂直入射成分に分けて示したものであり、縦軸に相対的なコントラストを横軸に入射角度をとっている。実線は面内入射成分のコントラストの入射角度依存性を示し、破線は垂直入射成分のコントラストの入射角度依存性を示しを示している。
【００１０】
この図からわかるように、偏光ビームスプリッターのコントラストは面内入射角度成分と垂直入射角度成分で大きく異なり、後者のそれは前者のそれに対して入射角度の絶対値が大きくなるに連れて著しく劣化する。従って、偏光ビームスプリッターに入射する光線の垂直入射角度成分が大きくなると表示画像のコントラストが劣化することとなる。
【００１１】
以上述べた偏光ビームスプリッターのコントラスト入射角依存性を考慮して高いコントラスト性能を実現し、さらには、高いコントラスト性能を維持したまま表示画像の明るさ、その均一性を向上させたプロジェクタの構成は知られていない。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的とするところは、コントラスト特性、明るさ、明るさの均一性に優れた反射型液晶装置を用いたプロジェクタを実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のプロジェクタは、複数の光源像を反射型液晶装置上で重畳させる照明光学系と、前記照明光学系と前記反射型液晶装置との間に配置された偏光分離面と、前記偏光分離面によって選択された光を投射する投射レンズと、を備えるプロジェクタであって、
前記照明光学系は出射端面の形状が略長方形であるグラスロッドを備えており、前記出射端面の長辺が、前記偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して略直交することを特徴とする。
【００１４】
後程詳細を述べるようにグラスロッド出射光束の長辺に平行な成分の角度分布は短辺に平行な成分のそれに比べて低角度成分の割合が多くなる。また、先述したように偏光分離面に入射する光束において垂直入射角度成分の大きな角度成分の比率が大きくなると投写画像のコントラストが著しく劣化する。
【００１５】
本発明のプロジェクタでは、グラスロッド出射光束の長辺に平行な成分と、偏光分離面への入射光束の垂直成分が一致するようにグラスロッドと偏光分離面とを配置してあるため、コントラストの劣化を小さくすることが可能となり、投写画像のコントラストを高めることが可能となる。
【００１６】
本発明のプロジェクタにおいて、前記光源と前記偏光ビームスプリッターの間の光路上に、前記光源から出射されたされた光束を偏光面の揃った光束に変換する偏光変換手段が配置され、前記偏光変換手段は、交互に配列された複数の反射膜と偏光分離膜とを有し、前記反射膜と偏光分離膜の配列方向は、前記グラスロッドの出射端面の長辺に略平行であることが好ましい。
【００１７】
このようにすれば、照明光学系に偏光変換手段を含むため、投写画像の明るさを向上させることが可能となる。さらには、偏光変換手段により光源像の増加する方向を比較的照度比の低いグラスロッドの長辺方向と一致させてあるので、グラスロッドだけでは補えきれない照度比の向上を補完することが可能となる。
【００１８】
なお、この場合、前記偏光変換手段は前記複数の光源像が形成される位置の近傍に配置されていることが好ましい。このような構成とすれば、グラスロッドによる複数の光源像形成位置に前記偏光変換手段を配置するため、効率よく投写画像の明るさの向上を図ることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面などを参照しながら、本発明の実施の形態をあげて、さらに詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の光学系の全体像を示す図である。
【００２１】
本実施形態のプロジェクタは、光源１０１と、リフレクター１０２（反射手段）と、集光レンズ１０３（第１の集光手段）と、グラスロッド１０４と、集光レンズ１０５（第２の集光手段）と、偏光ビームスプリッター１０６（偏光分離手段）と、ダイクロイックプリズム１０７（色分離・合成素子）と反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂと、投写レンズ１０９（結像手段）を備えており、反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂの像を合成してスクリーン１１０上に表示するものである。また、集光レンズ１０５は、グラスロッド１０４の出射端面１０４ｂの像を反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂ上に結像する機能を有している。反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂはそれぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を入力された各色別の入力信号に応じて画像形成部に形成する。これ以降の説明においては各色別の反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを一括して指し示す場合は反射型液晶装置１０８と呼ぶことにする。なお、説明の便宜上、同構成における座標軸を以下のように定める。
【００２２】
光源１０１を出射した光束が液晶装置１０８に入射した後、反射して偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面１０６ａに至る光路の光軸１１１に平行にｙ軸を設定する。また、同光束が偏光分離面１０６ａで反射後、投写レンズ１０９を経てスクリーン１１０に至る光路の光軸１１２に平行にｘ軸を設定する。また、偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂはｘ−ｙ平面に平行な面に含まれるものとする。ｚ軸はｘ−ｙ平面に垂直に設定する。なお、以降においては特に断りの無い限り偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂは偏光分離面１０６ａと光軸１１１の交点における偏光分離面の法線を指し示すこととする。この定義によれば偏光分離面１０６ａの法線１０６ｂはｘ−ｙ平面に含まれることとなる。
【００２３】
光源１０１から出射した光束はリフレクター１０２で反射されてグラスロッド１０４の入射端面１０４ａからグラスロッド１０４に入射する。
【００２４】
グラスロッド１０４は、投写画像の明るさの均一性を向上させるための均一照明光学系の一部を構成している。このような均一照明光学系の原理については、International Display Workshop '98予稿集Ｐ７２１に紹介されている。この照明光学系の機能を図２を用いて説明する。
【００２５】
図２(ａ)はグラスロッドを用いた均一照明光学系の構成図である。グラスロッド１０４はガラスを断面が矩形形状の六面体としたものである。グラスロッド１０４ｂの出射端面１０４ａは略長方形であり、反射型液晶装置１０８の画像形成領域とほぼ相似形状となっている。ここで、略長方形とは、角が面取りされた長方形など、実質的に長方形と見なせる形状を含むものである。出射端面１０４ａと反射型液晶装置１０８とは、長辺どうし、短辺どうしが対応するように配置されている。
【００２６】
なお、本図においては説明を簡単にするために、集光レンズ１０３、偏光ビームスプリッター１０６、ダイクロイックプリズム１０７は省略してある。また、本実施形態では光束をグラスロッド１０４の入射端面１０４ａに向けて集光する集光手段として集光レンズ１０３を用いているが、リフレクター１０２を楕円リフレクターのように集光機能を有するリフレクターとすれば、集光レンズ１０３を省略することも可能である。
【００２７】
本構成の照明光学系においては、集光レンズ１０５を構成する二つのレンズ１０５ａと１０５ｂの間の仮想面５０１の近傍に複数の光源像が形成される。
【００２８】
図２（ｂ）は仮想面５０１を反射型液晶装置１０８側から見た時の複数の光源像１４０１の様子を示したものであり、個々の光源像１４０１が仮想面内５０１にｙ軸、ｚ軸を対称軸として軸対称に配列している。
【００２９】
反射型液晶装置１０８にはこれらの複数の光源像１４０１からの光束が重畳して照射されるため、個々の光源像が有する照明ムラが平均化されることにより、その面内の明るさのムラは極めて少なく従ってその投写画像も明るさの均一性が極めて高いものとなる。また、グラスロッド１０４の出射端面１０４ｂの形状は反射型液晶装置１０８の画像表示領域と略相似に形成されており、集光レンズ１０５により所望の倍率で反射型装置１０８上に結像されるため光のロスが少ない。
【００３０】
図３は均一照明光学系において仮想面５０１近傍に複数の光源像が形成されるメカニズムの説明図である。
【００３１】
図３（ａ）に光源１０１から立体角ωａに放射される光束の光路を示す。この光束は光軸１１１に対して比較的小さな角度で入射端面１０４ａの中心Ｃに入射しグラスロッド１０４の内部では一回も反射する事無く出射面１０４ｂを出射しレンズ１０５ａによって仮想面５０１上の集光点１５０１の近傍に集光する。同様に光源１０１を出射した光束で入射面１０４ａのＣ以外の領域に入射した光束でグラスロッド１０４内で一度も反射をしない光束は集光点１５０１の近傍に集光されそれらによって集光点１５０１近傍の光源像が形成される。
【００３２】
図３（ｂ）に光源１０１から立体角ωｂに放射される光束の光路を示す。この光束は光軸１１１に対して比較的大きな角度で入射面１０４ａの中心Ｃに入射しグラスロッド１０４の内部で一回反射をしてグラスロッドを出射しレンズ１０５ａによって仮想面５０１上の集光点１５０２の近傍に集光する。同様に光源１０１を出射した光束で入射面１０４ａのＣ以外の領域に入射した光束でグラスロッド１０４内で一回反射する光束は集光点１５０２の近傍に集光されそれらによって集光点１５０２近傍の光源像が形成される。
【００３３】
上記の光束以外にもグラスロッド内で２回以上反射する光束や、グラスロッドの紙面に平行な側面で反射される光束により集光点１５０１，１５０２以外の点にも複数の光源像が形成される。
【００３４】
再び図１に戻って説明を行なう。グラスロッド１０４から射出された光は集光レンズ１５０を介して偏光ビームスプリッター１０６に導かれ、偏光分離面１０６ａに入射する。偏光分離面１０６ａに入射した光束のＳ偏光成分は反射されて不要光として系外に導かれ、Ｐ偏光成分は偏光分離面１０６ａを透過してダイクロイックプリズム１０７に入射する。
【００３５】
ダイクロイックプリズム１０７は入射したＰ偏光光束を第１、第２及び第３の色成分光束にそれぞれ分離して出射するものであり、第１プリズム１０７ａの第２プリズム１０７ｂ側の面１０７ｄ及び第２プリズム１０７ｂの第３プリズム１０７ｃ側の面１０７ｅにはダイクロイック膜が形成されている。本実施形態では、面１０７ｄに青色光を反射しそれより長波長域の光を透過させるダイクロイック膜が形成され、面１０７ｅに赤色光を反射し緑色光を透過させるダイクロイック膜が形成されている場合は青色光束は面１０７ｄで反射され第１の反射型液晶装置１０８Ｂに入射し、赤色光束は面１０７ｅで反射され第２の反射型液晶装置１０８Ｒに入射し、緑色光束は第３の反射型液晶装置１０８Ｇに入射する。
【００３６】
反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂは映像信号に応じて各色光束の位相状態を変調する。従って、反射型液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを反射した各色光束は映像信号に応じてＳ偏光成分も有する光束となり、入射時とは逆の経路をたどってダイクロイックプリズム１０７にて合成される。合成された光束は再び偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面１０６ａに入射し、そのうちＳ偏光成分のみが反射されて、投写レンズ１０９を介してスクリーン１１０に投写される。
【００３７】
なお、本実施形態ではＰ偏光成分の光を液晶装置１０８に入射し、Ｓ偏光成分の光を投写するようにしているが、逆に、Ｓ偏光成分の光を液晶装置１０８に入射し、Ｐ偏光成分の光を投写するようにしてもよい。また、面１０７ｄ、面１０７ｅに形成するダイクロイック膜の波長特性は本例で説明した特性に限定されない。さらに、液晶装置１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂを配置する位置についても図１の構成に限定されない。
【００３８】
図４は本実施形態における反射型液晶装置１０８、偏光ビームスプリッター１０６、グラスロッド出射端面１０４ｂの光学的配置関係の説明図である。なお、本図においては説明の便宜上、グラスロッド１０４と偏光ビームスプリッター１０６の間に配置してある集光レンズ１０５、偏光ビームスプリッター１０６と反射型液晶装置１０８の間に配置してあるダイクロイックプリズム１０７は省略して描いてある。また、Ｒ，Ｇ，Ｂ３枚の反射型液晶装置は光学的に全く等価な配置にあるので１枚の反射型液晶装置１０８で代表させて描いてある。なお、以降の説明において反射型装置１０８は反射型装置の画像形成領域を指し示すものとする。
【００３９】
本実施例においては反射型液晶装置の長辺２０１、およびグラスロッド出射端面１０４ｂの長辺２０２が偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面の法線１０６ｂと光軸１１１を含む面に略直交するように配置されている。
【００４０】
これを図５を用いて更に詳細に説明する。図５（ａ）における斜線を施した面３０１は偏光分離面の法線と光軸１１１を含む面を示しており、先述の定義によりそれはｘ−ｙ平面である。図５（ｂ）はｙ軸の正方向から見たときの面３０１とグラスロッド出射端面１０４ａの位置関係を示している。図５（ｂ）から明らかなように面３０１とグラスロッド出射端面１０４ａの長辺２０２は略直交している。また、グラスロッド出射端面１０４ａは反射型液晶装置１０８と略相似形状で同じ方位で配置されているので反射型液晶装置１０８の長辺２０１も同様に面３０１に略直交している。
【００４１】
このような配置をとった場合の偏光ビームスプリッター１０６への入射光束の入射角度分布を図６にしめす。この図は横軸に入射角度を縦軸に相対強度をとったものである。ここで実線は図１７で説明した面内入射成分の角度分布を示し横軸の入射角度はθに対応する。また点線は垂直入射成分の角度分布をしめし横軸の入射角度はψに対応する。図６から明らかなように垂直入射成分は入射角度範囲Ａの低角度成分の比率が高く、入射角度範囲Ｂの高角度成分はほとんど無い。その一方で面内角度成分は入射角度範囲Ａの低角度成分の比率は垂直成分のそれに比して少なく、入射角度範囲Ｂの高角度成分も持っている。
【００４２】
この理由を図７、図８を用いて説明する。
【００４３】
図７（ａ）、図８（ａ）は照明光学系の光源から光源像の結像面５０１までの光路をグラスロッド１０４の短辺側から見た側面図であり、本態様においてはこの面内の光束成分は偏光ビームスプリッター１０６における面内成分に一致する。
【００４４】
図７（ｂ）、図８（ｂ）は照明光学系の光源から光源像の結像面５０１までの光路をグラスロッド１０４の長辺２０２側から見た側面図であり、本態様においてはこの面内の光束成分は偏光ビームスプリッター１０６における垂直成分に一致する。
【００４５】
なお、図７、図８においては集光レンズ１０３を省略してある。
【００４６】
図７はグラスロッド１０４内で１回も反射せずに光源像を形成する光束の光路を示している。この光束による光源像はほぼ光軸１１１の近傍に形成されるため、その光源像からの偏光ビームスプリッターへの入射角度は小さなものとなる。図６における範囲Ａの低角度成分の大半はこの光束によるものである。
【００４７】
いま、図７（ａ）におけるこの光束の光源１０１からの放射立体角をω１とする。同様に、図７（ｂ）における放射立体角をω１'とする。ここで、図７（ａ）におけるグラスロッド１０４の幅Ｗ１はその端面の短辺の長さに等しく、図７（ｂ）における幅Ｗ２はの長辺の長さに等しいので、Ｗ１＜Ｗ２の関係に有る。次に、図７（ａ）におけるグラスロッド１０４の入射端面の中心点Ｃ、出射端面の上端点Ｕ、下端点Ｐで形成される三角形ＣＵＰと図７（ｂ）におけるグラスロッド１０４の入射端面の中心点Ｃ、出射端面の上端点Ｕ'、下端点Ｐ'で形成される三角形ＣＵ'Ｐ'とを比較すると、ＵＰ＜Ｕ'Ｐ'の関係がある。したがって、図７（ａ）におけるグラスロッド１０４内の光束の立体角ω２と、図７（ｂ）におけるグラスロッド内の光束の立体角ω２'の大小関係はω２＜ω２'であることがわかる。また図から、光源１０１からの光束の放射立体角はグラスロッド内の光束の立体角に比例するので図７（ａ）における放射立体角ω１と図７（ｂ）における放射立体角ω１'の大小関係はω１＜ω１'となる。したがって、光軸近傍に形成される光源像の強度はより大きな放射立体角を有する光束で形成される図７（ｂ）の方が大きい。これを偏光ビームスプリッターへの入射角度に置き換えてみると、先述したグラスロッド１０４の出射端面と偏光ビームスプリッターとの配置関係から垂直入射成分の低角度成分が多くなることを意味する。
【００４８】
図８はグラスロッド内で１回反射して光源像を形成する光束の光路を示している。従来の技術の項において説明したようにこの光束による光源像は光軸１１１から離れた位置に形成される。従って、そこからの光束は光軸近傍に形成される光源像からの光束に比べて偏光ビームスプリッターへより大きな入射角度で入射する。
【００４９】
図７で説明したように図８（ａ）と図８（ｂ）ではグラスロッド１０４の幅Ｗ１、Ｗ２が異なるため、グラスロッド１０４へ最も大きな立体角で入射する光線６０１と６０２が光軸となす角度ω３とω３'は異なる。そして図７の説明とほぼ同様な考え方によりω３＜ω３'であることがわかる。次に、図８（ａ）におけるグラスロッドの入射端面の中心点Ｃ、光線６０１とリフレクター１０２の交点Ｍ、交点Ｍから光軸１１１に垂直に降ろした垂線と光軸の交点Ｎで形成される三角形ＣＭＮと、図８（ｂ）におけるグラスロッドの入射端面の中心点Ｃ、光線６０２とリフレクター１０２の交点Ｍ'、交点Ｍ'から光軸１１１に垂直に降ろした垂線と光軸の交点Ｎ'で形成される三角形ＣＭ'Ｎ'とを比較すると、ω３＜ω３'の関係からＣＮ＞ＣＮ'が導かれる。したがって交点Ｍ'は、交点Ｍよりリフレクター１０２の縁に近い位置にあることがわかる。
【００５０】
グラスロッド内で２回以上反射した光束は反射回数に比例してより光軸から離れた位置に光源像を形成する。したがってその光束の偏光ビームスプリッターへの入射角度は反射回数に比例して大きなものとなる。図６における角度範囲Ｂの高角度成分の大半はこの光束によるものである。
【００５１】
この２回以上グラスロッド１０４内で反射する光束は、１回反射する光束よりも光軸１１１に対して大きな角度でグラスロッドに入射する。したがってその光束が光源１０１に対して張る放射立体角は図８（ａ）では交点Ｍとリフレクター１０２の縁にはさまれたω４、図８（ｂ）では交点Ｍ'とリフレクター１０２の縁にはさまれたω４'であり、先述の議論から交点Ｍ'は、交点Ｍよりリフレクター１０２の縁に近い位置にあるので、その大小関係はω４＞ω４'である。したがって、光軸から離れた位置に形成される光源像の強度は図８（ｂ）の成分の方が小さい。これを偏光ビームスプリッターへの入射角度に置き換えてみると、先述したグラスロッド出射端面と偏光ビームスプリッターの配置関係から垂直入射成分の高角度成分が少なくなることを意味する。
【００５２】
以上、本実施例の構成において、偏光ビームスプリッターへの入射光束の垂直入射成分は、低角度成分の比率が高く逆に高角度成分はほとんど無い理由と、面内成分は、低角度成分が比較的少なく逆に高角度成分が多くなる理由を説明した。
【００５３】
図１８に示したように、垂直入射成分は角度が大きくなると急激に表示画像のコントラストを劣化させる。本実施形態の構成における垂直入射成分はコントラストの高い低角度成分が多く、その逆の高角度成分は少ない。一方、水平角度成分は高角度成分を有するものの、図１８に示すようにこの成分によるコントラスト劣化は小さい。
【００５４】
以上の理由により、本実施形態の構成によれば、表示画像のコントラストを高く維持する事が可能となる。
【００５５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態で説明したように、均一照明光学系を用いれば、反射型液晶装置にはグラスロッドと集光レンズによって形成される複数の光源像からの光束が重畳して照射されるため、個々の光源像が有する照明ムラが平均化され、その面内の明るさのムラは少なくなり、従ってその投写画像も明るさの均一性が極めて高いものとなる。しかしながら、それぞれの光源像は光源からの放射立体角が異なる光束成分で形成されており、従ってその強度は異なる。また、図８を用いて説明したように、グラスロッドの端面の長辺方向に分離された光源像の強度は短辺方向に分離された光源像に比べより小さい放射立体角光束で形成されるため、その強度は比較的小さくなる。この結果、短辺方向に分離された個々の光源像の強度のばらつきに対して長辺方向に分離された個々の光源像の強度のばらつきが大きくなり、それが原因となって投写画像の長辺方向と短辺方向の照度ムラに相違が生じる。
【００５６】
この様子を図９を用いて説明する。図９（ａ）は投写画像７０１の各部位における明るさを示したグラフであり、縦軸に相対的な明るさを、横軸に各部位の投写画像中心からの距離をとってある。実線は図９（ｂ）に示すところの投写画像７０１の中心を通り短辺に平行な軸７０２上の各部位の明るさを示し、破線は投写画像７０１の中心を通り長辺に平行な軸７０３上の各部位の明るさを示している。図９（ａ）からも明らかなように、投写画像の横方向（軸７０３に平行な方向）の照度比は縦方向（軸７０２に平行な方向）のそれよりも大きくなっている。これは、長辺方向に分離された個々の光源像の強度のばらつきが大きいことに起因する。
【００５７】
図１０は、本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の光学系の全体像を示す図である。本実施形態においては図１に示した第１の実施形態の光学系に対してグラスロッド１０４とレンズ１０５ａにより複数の光源像が形成される位置の近傍に偏光変換素子８０１が配置されている。この偏光変換素子８０１以外の構成要素およびその配置ならびに変形の形態については実施形態１と同様であるため、第１実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
偏光変換素子８０１は、偏光方向がランダムな光を１種類の偏光光に変換して投射画像の明るさを向上させるための素子であり、特開平８−３０４７３９号等に紹介されている。
【００５９】
図１１（ａ）を用いて本実施形態の照明光学系を説明する。本図においては説明を簡単にするために集光レンズ１０３、偏光ビームスプリッター１０６、ダイクロイックプリズム１０７を省略してある。
【００６０】
光源１０１を出射した光束は、第１実施形態で説明したように、楕円リフレクター１０２、グラスロッド１０４、レンズ１０５ａ、１０５ｂにより反射型液晶装置１０８を照明する。偏光変換素子８０１は、図２における仮想面５０１の近傍に配置される。
【００６１】
図１１（ｂ）は偏光変換素子８０１の断面構成図、図１１（ｃ）は入射側から見た斜視図である。偏光変換素子８０１は、断面が平行四辺形である複数の透光性部材８０１ａ、８０１ｂの間に、反射膜８０１ｄと偏光分離膜８０１ｃとが交互に配置された構成となっている。グラスロッド１０４とレンズ１０５ａにより形成された複数の光源像１４０１は、図１１（ｃ）に示すように透光性部材８０１ａの入射面近傍に集光する。この光束のうちＰ偏光成分１６０２は図１１（ｂ）に示すごとく偏光分離膜８０１ｃを透過し、透光性部材８０１ｂの出射面に形成されたλ／２位相差板８０１ｅによって偏光振動面が９０°回転され、Ｓ偏光となって偏光変換素子８０１から出射される。一方、Ｓ偏光成分１６０３は偏光分離膜８０１ｃで反射され、反射膜８０１ｄで反射され、Ｓ偏光のまま出射される。したがって偏光変換素子８０１への入射時点で偏光方向がランダムであった光束は、ほとんど単一の直線偏光（本実施形態ではＳ偏光）の光に変換される。
【００６２】
なお、本実施形態ではＳ偏光に変換するようにしたが、Ｐ偏光に変換することも可能である。この場合は透光性部材８０１ａの出射面にλ／２位相差板８０１ｅを設ければよい。
【００６３】
図１２は本実施形態における偏光ビームスプリッター１０６、偏光変換素子８０１、グラスロッド１０４の出射端面１０４ｂの光学的配置関係の説明図である。なお、本図においては説明の便宜上、グラスロッド１０４、偏光変換素子８０１および偏光ビームスプリッター１０６の間に配置してある集光レンズ１０５は省略して描いてある。
【００６４】
本実施形態においては偏光変換素子８０１の反射膜８０１ｄと偏光分離面８０１ｃの配列方向８０１ｅが偏光ビームスプリッター１０６の偏光分離面の法線１０６ｂと光軸１１１を含む面に略直交するように配置されている。
【００６５】
図１３（ａ）は偏光分離面の法線と光軸１１１を含む面３０１を示しており、第１の実施形態における定義によりそれはｘ−ｙ平面である。図１３（ｂ）は面３０１と偏光変換素子８０１の反射膜８０１ｄと偏光分離面８０１ｃの対の配列方向８０１ｆの位置関係を示している。図１３（ｂ）から明らかなように面３０１と配列方向８０１ｆは直交している。
【００６６】
このように偏光変換素子８０１を配置した場合、光源像は偏光変換素子８０１の配列方向８０１ｆの方向に分割され、その出射側から見ると、図１４に示すように配列される。ここで、実線で描いてある光源像は偏光変換素子８０１への入射時点における照明光束のＰ偏光成分で形成されている。また破線で描いてある光源像は偏光変換素子８０１への入射時点における照明光束のＳ偏光成分で形成されており、本来の光源像に対してＺ軸と平行である配列方向８０１ｆ側にシフトして見える。
【００６７】
本実施形態においてはグラスロッドの端面１０４ｄの長辺方向側に光源像が倍増しているため、反射型装置における光束の重畳による長辺方向側の照度ムラを低減する効果が倍増する。その結果、短辺方向側に比べて劣っていた照度ムラを改善することができ、表示画像の照度の均一性を更に高めることが可能となる。
【００６８】
また偏光変換素子８０１を使用することにより光利用効率が向上し明るい投写画像を表示できることは言うまでもない。
【００６９】
（第３の実施形態）
本発明の第１、第２の実施形態においては、これまでの説明から明らかなように、表示画像の長辺が図１のｚ軸に平行になる。したがって本発明のプロジェクタはｙ軸方向を上にした縦長の形態となり実際の使用環境においては装置の設置位置の自由度や安定性が低いものとなる。
【００７０】
本発明の第３の実施形態は、このような課題を回避するための構成を提供するものであり図１５（ａ）、（ｂ）に示すごとく偏光ビームスプリッター１０６と照明光学手段の間に折り返しミラー１２０１を配置することにより装置全体の縦方向長さを短くしている。折り返しミラー１２０１以外の構成要素の構成及び配置ならびに変形の形態については、第２の実施形態と同様であるため、第２の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。なお、本実施形態は、第２の実施形態に折り返しミラー１２０１を追加した構成となっているが、第１の実施形態に折り返しミラー１２０１を追加することも可能である。
【００７１】
折り返しミラー１２０１は、図１５（ａ）に示すごとくｘ−ｙ平面に対して垂直に配置しても、図１５（ｂ）のごとくｙ−ｚ平面に対して垂直に配置してもかまわない。さらには図１５においてはレンズ１０５ｂと偏光ビームスプリッター１０６の間に折り返しミラー１２０１が配置されているが、これに限定されること無く、例えばレンズ１０５ａと１０５ｂの間に配置してもよく、さらには装置全体のコンパクト化を図るために照明光学手段内に別の折り返しミラーを配置してもよい。
【００７２】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形や変更が可能である。
【００７３】
例えば、グラスロッド１０４として光軸に沿った方向にテーパーがついたテーパードグラスロッドや、側面を反射ミラーで構成した中空状のロッドを使用してもかまわない。
【００７４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明のプロジェクタによれば、グラスロッド端面の長辺方向を偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して垂直に配置することにより、高いコントラストを有するプロジェクタを実現することができる。さらには、偏光変換素子の反射膜と偏光分離面の対の配列方向を偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して垂直に配置することにより、高いコントラストを有し、明るく、かつ、明るさの均一性に優れたプロジェクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の構成図。
【図２】 グラスロッド照明系の構成図。
【図３】 グラスロッド照明系の作用の説明図。
【図４】 第１の実施形態における構成要素の配置図。
【図５】 第１の実施形態における構成要素の配置図。
【図６】 偏光ビームスプリッターへの入射光束の強度と入射角度の関係を示す図。
【図７】 光路の説明図。
【図８】 光路の説明図。
【図９】 投写画像の部位における明るさを示す図。
【図１０】 本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の構成図。
【図１１】 偏光変換素子の構成図。
【図１２】 第２の実施形態における構成要素の配置図。
【図１３】 第２の実施形態における構成要素の配置図。
【図１４】 第２の実施形態における光源像の説明図。
【図１５】 本発明によるプロジェクタの第４の実施形態の構成図。
【図１６】 従来のプロジェクタの構成図。
【図１７】 偏光ビームスプリッターへの光束入射角度の定義の説明図。
【図１８】 偏光ビームスプリッターへの光線入射角度とコントラストの
関係を示す図。
【符号の説明】
１０１ 光源
１０２ リフレクター
１０３ 集光レンズ
１０４ グラスロッド
１０４ａ 入射端面
１０４ｂ 出射端面
１０５ 集光レンズ
１０５ａ レンズ
１０５ｂ レンズ
１０６ 偏光ビームスプリッター
１０６ａ 偏光分離面
１０６ｂ 偏光分離面の法線
１０７ ダイクロイックプリズム
１０７ａ プリズム
１０７ｂ プリズム
１０７ｃ プリズム
１０８ 反射型液晶装置
１０８Ｒ 赤画像用反射型液晶装置
１０８Ｇ 緑画像用反射型液晶装置
１０８Ｂ 青画像用反射型液晶装置
１０９ 投写レンズ
１１０ スクリーン
１１１ 光軸
１１２ 光軸
２０１ 反射型液晶装置の長辺
２０２ 出射端面の長辺
３０１ 偏光分離面の法線と光軸を含む面
５０１ 光源像形成面
６０１ 光線
６０２ 光線
７０１ 表示画像
７０２ 表示画像の短辺に平行な軸
７０３ 表示画像の長辺に平行な軸
８０１ 偏光変換素子
８０１ａ 透光性部材
８０１ｂ 透光性部材
８０１ｃ 偏光分離膜
８０１ｄ 反射膜
８０１ｅ λ／２板
８０１ｆ 配列方向
１２０１ 折り返しミラー
１４０１ 光源像
１５０１ 集光点
１７０１ 光線
１７０２ 光線
１７０３ 面
Claims (3)
- 複数の光源像を反射型液晶装置上で重畳させる照明光学系と、前記照明光学系と前記反射型液晶装置との間に配置された偏光分離面と、前記偏光分離面によって選択された光を投射する投射レンズと、を備えるプロジェクタであって、
前記照明光学系は、光源と、前記光源と前記偏光分離面との間に配置された出射端面の形状が略長方形であるグラスロッドと、を備えており、前記出射端面の長辺が、前記偏光分離面の法線と光軸を含む面に対して略直交することを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項１記載のプロジェクタにおいて、
前記光源と前記偏光ビームスプリッターの間の光路上に、前記光源から出射されたされた光束を偏光面の揃った光束に変換する偏光変換手段が配置され、
前記偏光変換手段は、交互に配列された複数の反射膜と偏光分離膜とを有し、
前記反射膜と偏光分離膜の配列方向は、前記グラスロッドの出射端面の長辺に略平行であることを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項２記載のプロジェクタにおいて、
前記偏光変換手段は前記複数の光源像が形成される位置の近傍に配置されていることを特徴とするプロジェクタ。
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