JP4250896B2

JP4250896B2 - 投影装置及びそれを用いた投写型画像表示装置

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Publication number: JP4250896B2
Application number: JP2002040913A
Authority: JP
Inventors: 浩二平田; 雅彦谷津; 太志山崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: US6905213B2; CN101201460A; CN1439908A; CN100370310C; JP2003241146A; US20040239882A1; CN101201460B; US6783242B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を赤、緑、青の色光束に分光する分光光学系と分光されたそれぞれの色光束を、光強度を変調する手段を有する画素をマトリックス状に配置した映像表示素子に入射させ、それぞれの映像表示素子により映像信号に応じて強度が変調された光を、再度合成する合成光学系に入射させて合成し、拡大投写装置によりキャビネットの所定位置に設けた透過型スクリーン上に拡大投影される投影装置とスクリーン上の画面位置を制御する制御方法及び背面投写型画像ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属ハロゲン化物を発光管内に封入し、その金属特有の発光を利用してかつ電極間距離を短くしたショートアークタイプのメタルハライドランプや高輝度化が容易な超高圧水銀ランプや艶色性が高いキセノンランプ等の白色光源からの光を同一偏波に変換する偏光変換装置と赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色光に分光する光束分光光学系と赤、緑、青色光束の光路をそれぞれ折り返す光路折り返し手段とそれぞれの色光束に対応して設けられた映像表示素子とこれら映像表示素子により映像信号に対応して強度を変調した光束を光学フィルターを設けたプリズムを貼り合せて形成する色合成光学系に入射させ、この合成光学系により重ね合わされたカラー画像をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを有する投影装置が盛んに開発されている。
【０００３】
この装置は光の偏光特性の高精度な制御を必要とするものであり、偏光子及び検光子となる偏光ビームスプリッタは偏光特性を支配するため、投写画像の画質に極めて大きく影響を与える。このため近年この偏光ビームスプリッタの性能向上について多くの研究がなされている。
【０００４】
この例としては、特開平９−５４２１３号公報に記載されているように、偏光ビームスプリッタを誘電体多層膜とこの誘電体多層膜を挟み込む透光性材料部材から構成し、この透光性材料部材に入射する入射光の波長に対して、その光弾性定数の絶対値が所定の値以下になるように選択すること。また、特開平１０−２６９３６号公報に記載されたように、白色光源からの光を赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色光に分離し、それぞれの色光に対応した偏光分離部の光学部材を構成する基材を光弾性定数の絶対値が最小となる波長が互いに異なるようにして最適な性能を得るよう工夫している。
【０００５】
これら偏光ビームスプリッタを偏光子または検光子とし、照明光学系により光源からの光束を効率良くかつ均一な分布とする照明光学系についても夫々の改良がなされている。以上述べた照明光束の強度を変調する手段として液晶パネルなど画素を縦横所定の比率にマトリックス状に配置した映像表示素子にテレビジョン画像やコンピュータからの出力画像を表示し、前記映像表示素子上の表示画像を投写レンズにより拡大する投写型画像プロジェクター装置や拡大投写された画像を写し出すスクリーンを備えた所謂リアタイプの投写型画像ディスプレイ装置が市場に広く普及してきている。
【０００６】
コンピュータ画面表示用として使用される映像表示素子は画面のアスペクト比が４：３（横：縦）のものが多い。一方テレビジョン画像表示用としては、近年、北米市場において開始された地上波デジタル放送や国内のＢＳデジタル放送の普及により従来から存在する画面のアスペクト比が４：３（横：縦）のものから画面のアスペクト比が１６：９（横：縦）のものが増えてきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術に示すように偏光ビームスプリッタを設ける透光性材料部材そのものを、入射する入射光の波長に対してその光弾性定数の絶対値が所定の値以下になるように選択したり、白色光源からの光束を赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色光束に分光し、それぞれの色光束に対応した偏光ビームスプリッタの基材を光弾性定数の絶対値が最小となる波長が互いに異なるようにしても充分ではなく、偏光ビームスプリッタ通過後に発生する偏光の乱れによるＳ偏光、Ｐ偏光の消光比の低化により、スクリーン上の拡大投写像に照度むらや色むらが発生した。
【０００８】
一方、前述した照明光学系や色合成系においても従来から最適な性能を得るよう夫々の工夫がなされているがまだまだ十分な利用効率が得られていない。
更に、上述した投影装置をリア方式の画像ディスプレイ装置内に配設し得られた拡大投写像を折返しミラーを介してキャビネットの所定位置に設けた透過型スクリーン上に拡大投影する場合に、Ｒ、Ｇ、Ｂ３枚の映像表示素子からの映像光の表示画面位置を良好に制御する制御方法が確立されていなかった。
【０００９】
本発明の第一の目的はスクリーン上への拡大投写像の色むらや照度むらが少ない投影装置を得ることにある。また、第２の目的は光源から発した光束を効率良く活用可能な照明光学系及び色合成光学系を得ることである。さらに第３の目的は背面投写型画像ディスプレイ装置に本願発明の投影装置を配設した場合に、赤、緑、青色映像に対応した映像表示素子からの映像光の表示画面上位置を最適にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するために、本願発明では、光源からの光束を同一偏波に変換する偏光変換手段と、該変換された光束を波長帯域に基づいて第１、第２、第３の色光束とに分離する色分離手段と、該分離された色光束それぞれの光路を変更する第１、第２及び第３の光路変更手段と、該光路変更手段により光路が変更されたそれぞれの色光束が入射する第１、第２及び第３の偏光分離手段と、該偏光分離手段からの前記第１、第２、第３の色光束各々が入射され、該偏光分離手段に各々からの反射光束を出射する第１、第２、第３の反射型映像表示素子と、前記偏光分離手段を介して入射される該反射型映像表示素子からのそれぞれの反射光束を合成する色合成手段と、該色合成手段により合成されたカラー画像を拡大投写する投写手段とを有し、前記第１、第２及び第３の光路変更手段の内の１つが、波長５６０ｎｍ以上の長波長光束を透過する特性を有する反射鏡であるように構成する。
【００１１】
また、色合成手段は所定の波長の光を選択的に透過または反射する光学フィルターを設けたプリズムを貼り合せて成り、前記偏光分離手段を介して入射される該反射型映像表示素子からのそれぞれの反射光束を合成するものであって、光弾性定数の絶対値が最小となる波長が異なる、少なくとも２種類以上の基材からなるプリズムにより構成する。
【００１２】
また、前記偏光変換手段と前記色合成光学系の空気界面に反射防止膜を設け、該反射防止膜は、波長が略５５０ｎｍの光に対する反射率Ｒｇ、波長が略６３０ｎｍの光に対する反射率をＲｒ、波長が略４３０ｎｍの光に対する反射率をＲｂとしたとき、前記反射率Ｒｇが最小となると共に、前記Ｒｒ、Ｒｇ、Ｒｂの比率が、６＞Ｒｒ／Ｒｇ、１０＞Ｒｂ／Ｒｇとなるように構成する。
【００１３】
また、光源からの光束を波長帯域に基づいて第１、第２、第３の色光束とに分離する色分離手段と、有効表示領域以外にも駆動可能な余剰画素が配列され、該色分離手段により分離された前記第１、第２、第３の色光束各々が入射される映像表示素子と、該映像表示素子からのそれぞれの光束を合成する色合成手段と、該色合成手段により合成されたカラー画像を拡大投写する投写手段と、所定位置に設置され、該投写手段からの投写映像光が投影表示されるスクリーンと、該スクリーンの外側に、光の強弱を検出する２個以上の受光素子とを有し、該受光素子からの第１、第２及び第３の投写映像光に対応する検出結果に基づいて、前記映像表示素子の駆動領域を制御できるように構成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１は本願発明の一実施形態である照明系と色合成光学系、映像表示素子及び投写レンズの配置を示した図である。同図において白色光源である光源ランプ３６において発生した白色光束は集光され（本実施の形態では光源ランプのリフレクタ形状が楕円）、光束変換変換レンズ３５に入射する。光束変換レンズ３５の発散作用により白色光束はほほ平行光束に変換され、マルチレンズアレイ３４に入射する。マルチレンズアレイ３４では、前記白色光束はマルチレンズの数に合わせて光束が分割され対応するマルチレンズ３３により、マルチレンズ３４で分割された光束は、ＰＢＳ（偏光変換素子）３２によりＳ偏波に変換され光路折返しミラー３１により光路が折り返され、フィールドレンズ３０に入射し、結像倍率と位置を調整されて偏光分離装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂにおいて一旦反射し映像表示素子２の有効画面寸法とほぼ同一の大きさに拡大されて映像表示素子２上で重ね合わされるいわゆるアフォーカル照明系を構成する。本実施の形態ではＰＢＳでＳ偏波に変換されたものとして以下説明する。
【００１５】
このため映像表示素子上の光束は均一な光束量分布を持つことができる。図２に示す色分離光学系により赤、青、緑色光束に分離されたＳ偏波の光束は、それぞれの色光に対応する偏光分離装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂで一旦反射され、映像表示素子２に入射し、フレキシブル端子３を介して供給される駆動信号により映像信号に合わせて強度が変調されかつＰ偏光に変換され出射する。このうち赤色映像光束と青色映像光束はλ／２板４及び６を通過することによりＳ偏光に変換された後、合成光学系であるプリズム１０Ｒ、１０Ｂ、１０Ｇ、１０Ｗによりカラー映像として合成される。すなわち、図２５に模式的に示したようにプリズム１０Ｗとプリズム１０Ｂの接合面及びプリズム１０Ｒとプリズム１０Ｇの接合面により形成された反射面に設けた赤色反射フィルターの特性により赤色映像光束は反射され投写レンズ２０に向かう。同様に青色映像光束はプリズム１０Ｗとプリズム１０Ｒの接合面及びプリズム１０Ｂとプリズム１０Ｇの接合面により形成された反射面に設けた青色反射フィルターの特性に合わせて反射され投写レンズ２０に向かう。さらに緑色映像光束は前述したそれぞれの反射面を通過し他の２色と合成されてカラー映像を得るわけである。そして合成されたカラー画像は検光子１２を介して投写レンズ２０に供給されスクリーン上に拡大投写される。
【００１６】
図２は図１に示した本願発明の照明光学系と色分離光学系、偏光分離装置及び投写レンズの配置を示したものである。共通部品には同一番号を付し説明を省略する。フィールドレンズ３０を通過した白色光束は偏光子１１を通過することで偏光方向が揃うのでコントラスト性能が向上する。本実施の形態では偏光子１１を設けているがコスト優先で省略する場合もある。
【００１７】
偏光子１１を通過し偏光方向が揃った白色光束は色分離光学系であるプリズム９Ｗ、９Ｒ、９Ｂ、９Ｇにより赤、青、緑の光束にそれぞれ分離される。すなわち図２４に模式的に示したように、プリズム９Ｗとプリズム９Ｂの接合面及びプリズム９Ｒとプリズム９Ｇの接合面により形成された反射面に設けた赤色反射フィルターの特性により白色光束の内赤色成分が選択反射され全反射ミラー７によって紙面手前方向に光路を折り返される。同様に青色成分はプリズム９Ｗとプリズム９Ｒの接合面及びプリズム９Ｂとプリズム９Ｇの接合面により形成された反射面に設けた青色反射フィルターの特性により白色光束の内青色成分が選択反射され全反射ミラー７によって紙面手前方向に光路を折り返される。赤色成分と青色成分が分離された光束は前述した色分離光学系を通過しダイクロイックミラー８により緑色成分のみ選択反射され紙面手前方向に光路を折り返される。
【００１８】
図１に示した色合成光学系は、図２の色分離光学系と上下に重ね合う位置関係で配置されているが、上下光束の漏れ込みが発生しないようにケースの壁面（底面）等で完全に分離された構成とするのが望ましい。
【００１９】
図３は図１に示した本願発明の実施の形態のうち、投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図４は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図３の側面図である。図１及び図２に示した共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００２０】
例えば、図４において色分離光学系により分光された青色光束は、全反射ミラー７により偏光分離装置１Ｂに入射し１Ｂｄと１Ｂｃの界面で反射し映像表示素子２に入射し、青色映像信号により変調されるとともに偏光方向もＰ偏光に変化して出射する。偏光分離装置１Ｂに再度入射した青色映像光束は１Ｂｄと１Ｂｃの界面を通過し、λ／２板４を通過してＳ偏光に変化した後図３に示す色合成光学系に入射し、プリズム１０Ｗとプリズム１０Ｒの接合面及びプリズム１０Ｂとプリズム１０Ｇの接合面により形成された反射面に設けた青色反射フィルターの特性に合わせて反射され投写レンズ２０に向かう。同様に赤色光束は、全反射ミラー７により偏光分離装置１Ｒに入射し１Ｒｄと１Ｒｃの界面で反射し映像表示素子２に入射し、赤色映像信号により変調されるとともに偏光方向もＰ偏光に変化して出射する。偏光分離装置１Ｒに再度入射した青色映像光束は１Ｒｄと１Ｒｃの界面を通過し、λ／２板６を通過してＳ偏光に変化した後図３に示す色合成光学系に入射し、プリズム１０Ｗとプリズム１０Ｂの接合面及びプリズム１０Ｒとプリズム１０Ｇの接合面により形成された反射面に設けた赤色反射フィルターの特性に合わせて反射され、検光子１２により偏光方向が揃った光が投写レンズ２０に向かう。次に緑色光束は、波長５６５ｎｍ以上の長波長光を透過するダイクロイックミラー８により偏光分離装置１Ｇに入射し１Ｇｄと１Ｇｃの界面（図示せず）で反射し映像表示素子２に入射し、緑色映像信号により変調されるとともに偏光方向もＰ偏光に変化して出射する。このダイクロイックミラー８により、中心波長が略５８０ｎｍの黄色成分を除去することができ、色純度を向上させることができる。このとき、更に緑色の純度を上げるために、ダイクロイックミラー８の通過波長を５６０ｎｍ以上としても良い。
【００２１】
偏光分離装置１Ｇに再度入射した緑色映像光束は１Ｇｄと１Ｇｃの界面を通過し、Ｐ偏光のまま図３に示す色合成光学系に入射し、プリズム１０Ｗプリズム１０Ｂ、プリズム１０Ｒ、プリズム１０Ｇの接合面に形成された反射面に設けた反射フィルターを透過し投写レンズ２０に向かう。以上述べた色合成手段によりカラー映像を得て最後に検光子１２により偏光性を向上させ投写レンズ２０によりスクリーン上に拡大投影する。
【００２２】
コントラスト性能を重視するために、比視感度が高い緑光束に対応した光路に偏光分離装置を２段設けてもよい。すなわち、本願発明の第一の実施の形態においてはダイクロミラー８のかわりに第一段目の偏光分離装置を配置し（図示せず）Ｓ偏光を入射させ、一旦反射により光路を折り曲げたのち第二段目の偏光分離装置１Ｇに入射させる。以降の作用は前述の実施の形態１と同様であり説明は省略する。さらに、コントラストを重視する場合には緑色光束だけでなく比視感度が次に高い赤色光束及び最も感度が低い青色光束についても二段階の偏光分離を実施しても良い。
【００２３】
また図３に示すように映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ，１Ｇ，１Ｒを直接結合することで空気界面が減り反射損失が低減できるばかりでなく映像表示素子の機械的強度も向上する。さらに、物面である映像表示素子と厚肉の透明媒質である偏光分離装置が直接結合することで、映像表示素子に直接ゴミが付着することによる投影映像の画質低下が無くなるという新しい効果が得られる。更には前記偏光変換装置の映像表示装置側開口面積Ｓｉと色合成光学系側開口面積Ｓｃの関係をＳｃ＜Ｓｉとすることで平行度の悪い光束が色合成光学系に入射するのを防ぐことができる。この結果、最終的に得られるカラー映像の色むらや輝度むらが軽減される。
【００２４】
映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ、１Ｒ、１Ｇとの具体的な結合方法について図３１及び図３２により説明する。図３１は映像表示素子の外観形状を示す外観図で、シリコンチップを含む外装２ｂの片面には金属基板２ａが熱伝導性接着剤により接着固定されており、他方の面には厚さ２ｍｍ程度の保護ガラス２ｄが接着されている。第一の結合着方法としては保護ガラス２ｄの表面に接着または粘着する。第二の結合方法としては保護ガラス２ｄの代用として直接シリコンチップを含む外装に接着または粘着固定すると保護ガラス２ｄが不要となりコスト面でも有利になる。
【００２５】
偏光分離装置としては偏光ビームスプリッタを用いる。この偏光ビームスプリッタは基材に生じる光学的異方性から複屈折を誘発し、光の偏光特性を乱してしまう。このため偏光分離装置においてはＳ偏光、Ｐ偏光分離の消光比（コントラスト比）が低下する、照度むら及び3色合成後の色むら等画質を大幅に低下させる。そこで本願発明ではそれぞれの光に対応した偏光分離装置の基材を、互いに異なる波長で光弾性定数の絶対値が最小となる材料を用いることで照度むら及び3色合成後の色むら等を低減する。またコスト重視の場合には比視感度の低い青色光束に対応した偏光分離装置の基材を緑色光束に対応した偏光分離装置の基材と共通にしても良い。広い波長領域において光弾性定数が小さい基材としてはショット社のＳＦ１、ＳＦ２、ＳＦ５７、小原（株）のＰＢＨ５５等があり、試作によりその効果を確認できた。
【００２６】
本願発明の実施の形態では、照度むらや色むらを十分に低減するため、投写レンズ２０の直前の検光子１２を設けている。このため色合成光学系を構成するプリズムについても、前述した偏光分離装置と同様に低複屈折の基材を用いると優れた性能を得ることができる。この時、図３に示した光合成プリズムの内１０Ｇ、１０Ｗについては視感度が最も高い緑色波長領域の光に対する光弾性定数が最小となる基材を使用すると良好な性能が得られる。また、プリズム１０Ｒについては赤色波長領域の光に対する光弾性定数が最小となる基材を用いることで更なる性能改善が実現できる。この時１０Ｗは緑色波長領域と赤色波長領域において光弾性定数が小さくなる基材を選ぶとさらに良い。
【００２７】
図５は本願発明の第２の実施の形態としての、投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図６は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図５の側面図である。図３及び図４に示した実施の形態と共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００２８】
第１の実施の形態との大きな違いは偏光分離装置１Ｂ、１Ｒと色合成光学系を構成するプリズム１０Ｂ、１０Ｒとがλ／２板４、６を介して粘着または接着されている点である。但し緑色光束に対応した偏光分離装置１Ｇは色合成プリズム１０Ｇに直接粘着または接着される。映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ、１Ｇ、１Ｒの間にはλ／４板７０を配置し偏光軸を最適点にあわせ込むことで良好な性能を得る。その他の動作については図３及び図４に示した実施の形態と同様であるため説明は省略する。
【００２９】
図７は本願発明の第３の実施の形態としての、投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図８は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図７の側面図である。図３及び図４に示した実施の形態と共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００３０】
第１の実施の形態との大きな違いは偏光分離装置１Ｂ、１Ｒと色合成光学系を構成するプリズム１０Ｒ、１０Ｂとがλ／２板を介して粘着または接着されている点である。但し緑色光束に対応した偏光分離装置１Ｇは色合成プリズム１０Ｇに直接粘着または接着される。映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ、１Ｇ、１Ｒの間にはλ／４板７０を配置し偏光軸を最適点にあわせ込み調整後に接着または粘着固定する。同時に検光子１２を色合成プリズム１０Ｗに接着または粘着固定してもよい。この結果不要な空気界面が減り画質低下要因が減少する。その他の動作については図３及び図４に示した実施の形態と同様であるため説明は省略する。
【００３１】
図９は本願発明の第４の実施の形態としての投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図１０は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図９の側面図である。図３及び図４に示した実施の形態と共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００３２】
図１０において色分離光学系により分光された青色光束は、全反射ミラー７によりλ／２板４を透過後にＰ偏光に変換され偏光分離装置１Ｂに入射し１Ｂｄと１Ｂｃの界面を通過する。その後、映像表示素子２に入射し、青色映像信号により変調されるとともに偏光方向もＳ偏光に変換され出射する。偏光分離装置１Ｂに再度入射した青色映像光束は１Ｂｄと１Ｂｃの界面で反射した後図９に示す色合成光学系に入射し、プリズム１０Ｗとプリズム１０Ｒの接合面及びプリズム１０Ｂとプリズム１０Ｇの接合面により形成された反射面に設けた青色反射フィルターの特性に合わせて反射され投写レンズ２０に向かう。同様に赤色光束は、全反射ミラー７によりλ／２板６を透過後にＰ偏光に変換され偏光分離装置１Ｒに入射し１Ｒｄと１Ｒｃの界面を通過する。その後、映像表示素子２に入射し、赤色映像信号により変調されるとともに偏光方向もＳ偏光に変換されて出射する。偏光分離装置１Ｒに再度入射した青色映像光束は１Ｒｄと１Ｒｃの界面で反射した後図９に示す色合成光学系に入射し、プリズム１０Ｗとプリズム１０Ｂの接合面及びプリズム１０Ｒとプリズム１０Ｇの接合面により形成された反射面に設けた赤色反射フィルターの特性に合わせて反射され投写レンズ２０に向かう。次に緑色光束は、波長５８５ｎｍ以上の長波長光を透過するダイクロイックミラー７によりλ／２板（図示せず）を透過後にＰ偏光に変換され偏光分離装置１Ｇに入射し１Ｇｄと１Ｇｃの界面（図示せず）を通過し映像表示素子２に入射し、緑色映像信号により変調されるとともに偏光方向もＳ偏光に変化して出射する。偏光分離装置１Ｇに再度入射した緑色映像光束は１Ｇｄと１Ｇｃの界面で反射し、Ｓ偏光のまま図９に示す色合成光学系に入射し、プリズム１０Ｗプリズム１０Ｂ、プリズム１０Ｒ、プリズム１０Ｇの接合面に形成された反射面に設けた反射フィルターを透過し投写レンズ２０に向かう。以上述べた色合成手段によりカラー映像を得て投、３個の映像表示素子２が全て同一平面内に存在する構成が可能となるのでファンなどによる強制空冷を行う場合の風路設計が容易となる。
【００３３】
また図１０に示すように映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ，１Ｇ，１Ｒを直接結合することで空気界面が減り反射損失が低減できるばかりでなく映像表示素子の機械的強度も向上する。さらに、物面である映像表示素子と厚肉の透明媒質である偏光分離装置が直接結合することで、映像表示素子に直接ゴミが付着することによる投影映像の画質低下が無くなるという新しい効果が得られる。
【００３４】
図１１は本願発明の第５の実施の形態としての、投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図１２は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図１１の側面図である。図３及び図４に示した実施の形態と共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００３５】
第４の実施の形態との大きな違いは偏光分離装置１Ｂ、１Ｒ、１Ｇと色合成光学系を構成するプリズム１０Ｒ、１０Ｂ、１０Ｇとが粘着または接着されている点である。映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ、１Ｇ、１Ｒも接着または粘着されている。その他の動作については図９及び図１０に第４の実施の形態と同様であるため説明は省略する。
【００３６】
図１３は本願発明の第６の実施の形態としての、投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図１４は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図１３の側面図である。図９及び図１０に示した実施の形態と共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００３７】
第４の実施の形態との大きな違いは偏光分離装置１Ｂ、１Ｒ、１Ｇと色合成光学系を構成するプリズム１０Ｒ、１０Ｂ、１０Ｇとが粘着または接着されている点である。映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ、１Ｇ、１Ｒの間にはλ／４板７０が配置され偏光軸を最適点にあわせ込みことが可能になっている。またλ／２板４及び６（緑光束用は図示せず）は偏光分離装置１Ｂ、１Ｒ、１Ｇに接着または粘着されている。
【００３８】
図１５は本願発明の第７の実施の形態としての、投写レンズと色合成光学系部分を示した平面図である。また図１６は色分離光学系と色合成光学系の位置関係を示した図１５の側面図である。図９及び図１０に示した実施の形態と共通部品には同一番号を付し説明を省略する。
【００３９】
第４の実施の形態との大きな違いは偏光分離装置１Ｂ、１Ｒ、１Ｇと色合成光学系を構成するプリズム１０Ｒ、１０Ｂ、１０Ｇとが粘着または接着されている点である。映像表示素子２と偏光分離装置１Ｂ、１Ｇ、１Ｒの間にはλ／４板７０が配置され偏光軸を最適点にあわせ込み、その後前記三者を接着または粘着固定する。この結果不要な空気界面が減り画質低下要因が減少する。
【００４０】
またλ／２板４及び６（緑光束用は図示せず）は偏光分離装置１Ｂ、１Ｒ、１Ｇに接着または粘着されている。その他の動作については図９及び図１０に示した実施の形態と同様であるため説明は省略する。
【００４１】
図１７、図１８、図１９、図２０、図２１は本願発明の色分離光学系の実施の形態を示したものである。詳細な作用の説明は前述しているのでここでは省略する。
図１７、図１８、図１９の違いは偏光子１１の有無と色分離プリズム１１に
偏光子が接着または粘着されているか否かである。図１９で示した実施の形態では空気界面が図１８に示した実施の形態に比べ２面減少していることから良好な光学特性が得られる。図２０、図２１は色分離光学系の他の実施の形態で色分離プリズム９Ｗ、９Ｒ、９Ｇ、９Ｂに変わってクロスダイクロミラー９を使用しコスト低減を図ったタイプである。
【００４２】
図２２及び図２３は金属多層膜により得られる一般的な反射フィルターの特性を示したもので、図２２は赤色光、緑色光透過で、青色光反射のフィルター特性を示し、図２３は青色光、緑色光透過で赤色光反射のフィルター特性を示している。偏波の種類によって同一の金属多層膜でも得られる特性が大きく異なることが判る。このため、偏光軸が不揃いな光束が色分離・合成光学系を通過すると得られる拡大映像に色むらや照度むらが発生することになる。
【００４３】
本願発明の実施の形態では白色光束を分光する色分離光学系にはＳ偏光で光が入射する。この時色分離光学系のプリズム面に設ける反射膜の特性を図２６に示す。この特性では、赤色波長領域（６００ｎｍ以上）の反射特性は急峻で良好な特性となる。一方、青色波長領域（４９０ｎｍ以下）の反射特性も急峻になるが、赤色波長領域での透過率にリップル成分が生じるため反射膜の膜数の増加が必要となる。
【００４４】
本願発明の映像表示素子は光を映像信号に応じて変調すると同時に出射した光束の偏光方向が入射した光束に対して１８０度回転（Ｓ偏光→Ｐ偏光）するため、色合成光学系では緑色波長領域（おおよそ５１０ｎｍから５７５ｎｍの範囲）の光をそのままＰ偏光とすれば図２７に示すような急峻な特性を少ない膜数実現できる。一方、赤色光束と青色光束についてはλ／２板を通過後させＳ偏光に変換して光合成光学系に入射させる。この時得られる特性は図２８に示されるように良好なものとなる。
【００４５】
色合成光学系の合成プリズム１０Ｗ及び検光子１２及び投写レンズ２０に設ける反射防止膜の膜特性は従来図２９に示すような広帯域に亙って平均的に反射率を低減することを目的として設計されている。このため比視感度が最も強い緑色波長領域（おおよそ５１０ｎｍから５７５ｎｍの範囲）の光に対する反射率が赤色波長領域（６００ｎｍ以上）の反射率や青色波長領域（４９０ｎｍ以下）の反射率に比べ大きくなっている。これに対して本願発明の反射膜は図３０に示すように比視感度が最も強い緑色波長領域（おおよそ５１０ｎｍから５７５ｎｍの範囲）の光に対する反射率を最小となるように設計し、次いで赤色波長領域（６００ｎｍ以上）の反射特性を押さえると良好な性能が得られる。例えば５５０ｎｍの光に対する反射率Ｒｇに対して６３０ｎｍの光に対する反射率Ｒｒを６倍まで、４３０ｎｍの光に対する反射率Ｒｂを１０倍までの範囲に押さえ比視感度を含め総合の反射率低減を実現している。
【００４６】
図３４は本願発明の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置の主要部を示す正面図である。４５は投影装置、４６はキャビネット、４７は画面フレーム、４８はスクリーンの有効表示領域を示す。
【００４７】
投影装置４５に用いる映像表示素子には画面有効表示領域以外にも駆動可能な余剰画素領域を設け、投写レンズによりこの余剰画素領域含めて透過型スクリーン外形寸法よりも大きく拡大投写する。この時、透過型スクリーンの取り付け位置の外側に光の強弱を電気信号に変換する受光素子４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ、４９ｅ、４９ｆを配設する。受光素子４９ｂ、４９ｅで画面水平方向の表示位置を、受光素子４９ｄ、４９ｆで画面垂直方向の表示位置を検出し、４個の受光素子からの出力信号の変化により画面の回転情報を算出する。受光素子４９ａ、４９ｃを設けることで画面の位置検出だけでなく画面歪みの検出も実現できる。
【００４８】
具体的な位置検知法としては、赤、緑、青色光束に対応したそれぞれの映像表示素子の所定位置に一画素以上を順次表示し、この表示画素に対応して生じる前記受光素子からの出力信号変化により前記それぞれの色光束に対応した映像表示素子の最適画面全体の表示位置を求め、各映像表示素子ごとに駆動領域を制御することにより、表示画面の位置を移動させて色ずれやラスターずれを最小とする。この構成により、色ずれやラスターずれの補正のための光学部品の位置調整が不要となり、電気的に高精度な補正を行うことができる。映像表示素子の駆動領域の上記した調整は、通常、ディスプレイ装置の出荷時に行うが、購入後に視聴者が行っても良い。この場合には、調整用のスイッチ(図示せず)を設け、該スイッチにより上記調整を開始するように構成される。更には、所定時間ごとに、或いは所定の使用時間(視聴時間)ごとに、或いは電源投入時ごとに、上記調整を行うように構成しても良い。
【００４９】
次に図３５及び図３６は本願発明の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置の主要部を示す垂直方向断面図である。図３５においては投影装置５０において得られる映像を投写用レンズ２０により折り返しミラー５２を介してスクリーン５５上に拡大投写する構成となっている。５４はキャビネット（筺体）、５１はバックカバーである。スクリーン５５の外形中心に対して投写レンズの２０の光軸がほぼ一致する構成であり、画面周辺部でのフレネルレンズによる反射損失が四隅で均一となる。有効画面サイズが異なる映像表示素子において投影装置の色合成光学系を共通化して使用する場合には図３３に示すように有効画面サイズが大きい映像表示素子４４に対応した拡大投影像４１の画面中心をスクリーンの外形中心に一致させる。これに対して有効画面サイズが小さい映像表示素子４３（同図中斜線にて表示）は、投写レンズ４２の光軸に対して偏心させて配置する。この結果得られる拡大投影像４０の中心位置は投写レンズの光軸中心から離れた場所となる。この結果、図３６に示すように、より奥行きが低減されたセットが実現可能となる。同図において５６は投影装置を２０は投写用レンズを示している。その他図３５と同一構成部品には同一番号が付してある。この時、画面周辺部でのフレネルレンズによる光反射損失はスクリーンの上端と下端で異なるが、投写レンズの周辺光量比が１５％以下であれば偏心量が１：３程度でも実用上問題無いレベルである。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べた本発明の第一の効果は、スクリーン上への拡大投写像の色むらや照度むらが少ない投影装置を得ることができる。また、第２の効果は光源から発した光束を効率良く活用可能な照明光学系及び色合成光学系を得ることができる。さらに第３の効果は、背面投写型画像ディスプレイ装置に本願発明の投影装置を配設した場合に、赤、緑、青色映像に対応した映像表示素子の表示位置を最適にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の照明系の一部と色合成光学系、映像表示素子及び投写レンズの配置を示した構成図。
【図２】図１に示した本願発明の照明光学系と偏光分離装置及び投写レンズの配置を示した構成図。
【図３】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図４】図１に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図５】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図６】図３に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図７】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図８】図５に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図９】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図１０】図７に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図１１】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図１２】図９に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図１３】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図１４】図１１に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図１５】本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図１６】図１３に示した本発明の色合成光学系の一実施の形態を示す側面図。
【図１７】本発明の色分離光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図１８】本発明の色分離光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図１９】本発明の色分離光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図２０】本発明の色分離光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図２１】本発明の色分離光学系の一実施の形態を示す平面図。
【図２２】色合成・分離光学系の反射膜特性を示す特性図。
【図２３】色合成・分離光学系の反射膜特性を示す特性図。
【図２４】本願発明の色分離光学系の構成を示す構成図。
【図２５】本願発明の色合成光学系の構成を示す構成図。
【図２６】本願発明の色合成・分離光学系の反射膜特性を示す特性図。
【図２７】従来技術による色合成・分離光学系の反射膜特性を示す特性図。
【図２８】従来技術による色合成・分離光学系の反射膜特性を示す特性図。
【図２９】従来技術による反射防止多層膜の反射特性を示す特性図。
【図３０】本願発明技術による反射防止多層膜の反射特性を示す特性図。
【図３１】本願発明の映像表示素子と偏光分離装置の結合状態を示す構成図。
【図３２】本願発明の映像表示素子と偏光分離装置の結合状態を示す構成図。
【図３３】投写レンズによりスクリーン上に拡大された画像の位置を説明するための説明図。
【図３４】本願発明の一実施形態である投写型画像ディスプレイ装置の正面図。
【図３５】本願発明の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置の主要部を示す垂直方向断面図。
【図３６】本願発明の投写光学系を搭載した背面投写型画像ディスプレイ装置の主要部を示す垂直方向断面図。
【符号の説明】
１Ｇ…緑光束用偏光分離装置、１Ｒ…赤光束用偏光分離装置、１Ｂ…青光束用偏光分離装置、２…映像表示素子、２ａ,２ｂ，２ｃ，２ｄ…映像表示素子の構造部品、３…フレキシブル端子、４,５，６…λ／２板、７０…λ／４板、７…全反射ミラー、８…ダイクロィックミラー、９…色分離光学系、９Ｒ,９Ｇ,９Ｂ…色分離プリズム、１０Ｗ,１０Ｂ,１０Ｒ…色合成プリズム、１１…偏光子、１２…検光子、２０…投写レンズ、３０…フィールドレンズ、３１…光路折返しミラー、３２…ＰＢＳ、３３…マルチレンズアレイ、３４…マルチレンズアレイ、３５…光束変換レンズ、３６…光源ランプ、４０…拡大投影像(小)、４１…拡大投影像(大)、４２…投写レンズ、４３…映像表示素子(小)、４４…映像表示素子(大)、４５…投影装置、４６…キャビネット（筺体）、４７…画面フレーム、４８…スクリーン有効領域、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｅ…光センサー、５０…投影装置、５１…バックカバー、５２…光路折返しミラー、５３…画面フレーム、５４…キャビネット（筺体）、５５…透過型スクリーン。

Claims

光源からの光束を同一偏波に変換する偏光変換手段と、
該変換された光束を波長帯域に基づいて緑色光束、赤色光束、青色光束の色光束とに分離する色分離手段と、
該分離された色光束のそれぞれの光路を変更する第１、第２及び第３の光路変更手段と、
該光路変更手段により光路が変更されたそれぞれの色光束が入射する第１、第２及び第３の偏光分離手段と、
該偏光分離手段からの前記緑色光束、赤色光束、青色光束の色光束の各々が入射され、該偏光分離手段に各々からの反射光束を出射する第１、第２、第３の反射型映像表示素子と、
前記偏光分離手段を介して入射される該反射型映像表示素子からのそれぞれの反射光束を合成する色合成手段と、
該色合成手段により合成された画像を拡大投写する投写手段とを有し、
前記緑色光束の光路変更手段として、該緑色光束に対応した偏光分離手段を設け、
また、前記反射型映像表示素子と前記偏光分離手段との間にλ／４板を設けたことを特徴とする投影装置。
請求項１に記載の投影装置において、
前記反射型映像表示素子と前記偏光分離手段とを結合することを特徴とする投影装置。
請求項１に記載の投影装置において、
前記反射型映像表示素子と前記偏光分離手段との間に前記λ／４板を配置し、接着、または固定したことを特徴とする投影装置。