JP5127143B2 - 色分解光学系および画像投射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に用いられ、光源からの光を複数の色光に分解して液晶パネル等の光変調素子に導く色分解光学系に関する。
画像投射装置による投射画像のコントラスト特性を改善するためには、色分解系又は色分解合成光学系に用いられる偏光ビームスプリッタ等の入射角度特性に敏感な光学素子に対する光束の入射角度範囲を狭めることが必要である。
特許文献1にて開示された光学系では、光源からの光をレンズアレイを用いて複数の光束に分割して2次光源像を形成し、該複数の光束を液晶パネル上で重ね合わせて該液晶パネルを照明する。そして、この光学系には、2次光源像の近傍に光束を制限する絞りを設けることで、入射角度特性に敏感な光学素子への入射角度範囲を狭めている。
特開平05−303085号公報(段落0013〜0016、図4等)
しかしながら、特許文献1にて開示された光学系では、画像のコントラストを改善することはできるものの、2次光源像の近傍で光束を制限しているために、液晶パネルを照明する光の光量低下が大きい。つまり、投射画像が暗くなる。
また、該光学系では、色分解系よりも光源側において光束を制限しているために、波長ごとに光束制限を行うことができず、黒表示時における黒の色味や色むらの改善に対しては効果的ではない。
本発明は、黒の色味や色むらの改善に有効であり、光量低下が少ない色分解光学系およびこれを用いた画像投射装置を提供することを目的の1つとしている。
本発明の一側面としての色分解光学系は、光源からの光のうち、緑の波長帯域の光を透過し、赤及び青の波長帯域の光を反射するダイクロイック面と、該ダイクロイック面を透過した光を透過させて反射型の光変調素子へと導く偏光分離面とを有する。そして、緑の波長帯域の光の光路において、ダイクロイック面に45°よりも小さい入射角度で入射し、かつ偏光分離面に対して45°よりも大きい入射角度で入射する直線偏光を第1の入射角度光とする。さらに、第1の入射角度光に対するダイクロイック面の透過率が最大となる波長よりも長い波長であって該ダイクロイック面の透過率が10%となる波長をWaとし、Waよりも短い波長範囲をWとする。このとき、偏光分離面は、波長範囲Wにおける第1の入射角度光に対するS偏光の透過率が5%以下である特性を有することを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての色分解光学系は、光源からの光のうち、緑の波長帯域の光を透過し、赤及び青の波長帯域の光を反射するダイクロイック面と、該ダイクロイック面を透過した光を反射させて反射型の光変調素子へと導く偏光分離面とを有する。そして、緑の波長帯域の光の光路において、ダイクロイック面に45°よりも小さい入射角度で入射し、かつ偏光分離面に対して45°よりも大きい入射角度で入射する直線偏光を第1の入射角度光とする。さらに、第1の入射角度光に対するダイクロイック面の透過率が最大となる波長よりも長い波長であって該ダイクロイック面の透過率が10%となる波長をWaとし、Waよりも短い波長範囲をWとする。このとき、偏光分離面は、波長範囲Wにおける第1の入射角度光に対するP偏光の反射率が5%以下である特性を有することを特徴とする。
本発明によれば、大きな光量低下を伴わずに、黒表示時における黒の色味や色むらを改善でき、画像のコントラストを高めることができる。さらに、偏光分離面に偏光板としての機能を持たせることができるため、従来、偏光分離面の入射側に必要であった偏光板を不要とすることもできる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図1には、本発明の実施例1である液晶プロジェクタの構成を示している。本実施例のプロジェクタは、発光管およびリフレクタからなる光源1と、照明光学系2と、色分解光学系としての色分離合成光学系3と、光変調素子又は画像形成素子としての反射型液晶パネル6,7,8と、投射レンズ4とにより構成される。照明光学系2と、色分離合成光学系3と、反射型液晶パネル6,7,8と、投射レンズ4により、画像表示光学系が構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
照明光学系2は、光源1からの光を色分解合成光学系3に導く。
色分離合成光学系3は、照明光学系2からの白色光を赤(R:例えば600〜650nm)、緑(G:例えば500〜600nm)および青(B:例えば440〜500nm)に色分解し、各色光を対応する色の反射型液晶パネルに導く。また、色分離合成光学系3は、3つの反射型液晶パネル6,7,8からの光を合成して投射レンズ4に導く。
反射型液晶パネル6,7,8には、液晶駆動回路30が接続されており、該液晶駆動回路30には、パーソナルコンピュータ、DVDプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置40が接続されている。液晶駆動回路30は、画像供給装置40から入力された画像(映像)情報に基づいて各反射型液晶パネルを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調(画像変調)される。該液晶プロジェクタと画像供給装置40により画像表示システムが構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
投射レンズ4は、反射型液晶パネル6,7,8からの合成光をスクリーン(被投射面)5に向けて投射する。
ここで、光源1から射出した光は無偏光光であるが、照明光学系2に含まれる偏光変換素子2aによってP偏光に変換される。
色分離合成光学系3は、ダイクロイックミラー9と3つの偏光ビームスプリッタ10,11,12とを有する。以下の説明では、偏光ビームスプリッタ10をG−PBSといい、偏光ビームスプリッタ11をRB−PBSという。また、色合成を行う偏光ビームスプリッタ12を、合成PBSという。
ダイクロイックミラー9は、ガラス基板上に多層膜からなるダイクロイック膜(ダイクロイック面)を形成したものである。該ダイクロイックミラー9は、照明光学系2からの白色光のうちR光とB光を反射し、G光を透過させることで、R光およびB光の光路とG光の光路とを分離する。すなわち、ダイクロイックミラー9は、G光を透過し、該G光よりも長い波長のR光を反射する。
また、偏光ビームスプリッタ(PBS)は、2つの三角柱形状のガラスブロックの貼り合わせ面に多層膜からなる偏光分離膜(偏光分離面)を形成したものである。
R光およびB光の光路には、ダイクロイックミラー9で反射されたR光とB光とを分離するために、波長選択性位相板15が設けられている。波長選択性位相板15は、P偏光とS偏光に対して図2に示す特性(Tは透過率を示す)を有する。図2において、実線がS偏光に対する透過率、点線がP偏光に対する透過率を示す。波長選択性位相板15により、R光はP偏光からS偏光へと偏光状態が変化するが、B光はP偏光のままである。
波長選択性位相板15を透過したR光はS偏光としてRB−PBS11に入射し、該RB−PBS11の偏光分離面で反射してR用の反射型液晶パネル(以下、Rパネルという。他の色用の液晶パネル6,7も、以下、Gパネル、Bパネルという)8に導かれる。Rパネル8で画像変調されたR光はP偏光となり、RB−PBS11の偏光分離面を透過して合成PBS12に至る。
また、B光はP偏光としてRB−PBS11に入射し、該RB−PBS11の偏光分離面を透過してBパネル7に導かれる。Bパネル7で画像変調されたB光はS偏光となり、RB−PBS11の偏光分離面で反射されて合成PBS12に至る。
合成PBS12は、図3に示す特性を有する。図3において、実線がS偏光に対する透過率、点線がP偏光に対する透過率を示す。合成PBS12の偏光分離面は、R光に対しては偏光分離機能を有し、B光とG光に対してはダイクロイック機能を有する。この合成PBS12とRB−PBS11との間には、B光を検光する偏光板16が配置されている。B光はこの偏光板16で検光された後、合成PBS12に入射し、その偏光分離面を透過して投射レンズ4に至る。また、R光は、合成PBS12の偏光分離面の図3に示す検光特性により検光されてこれを透過し、投射レンズ4に至る。
一方、ダイクロイックミラー9を透過したG光は、P偏光であり、G−PBS10の偏光分離面10aを透過してGパネル6に入射する。Gパネル6で画像変調されたG光は、S偏光となり、G−PBS10の偏光分離面10aによって反射されて合成PBS12に至る。
合成PBS12とG−PBS10の間には、G光を検光する偏光板17が配置されている。G光はこの偏光板17で検光された後、合成PBS12の偏光分離面によって反射され、投射レンズ4に導かれる。
図4には、本実施例におけるダイクロイックミラー9の特性を示している。図中の実線は、入射角度αが45°の光線に対する透過率(T45)を示し、点線は、入射角度αが45°よりも大きい光線に対する透過率(T(α>45))を示す。また、一点鎖線は、入射角度αが45°よりも小さい光線に対する透過率(T(α<45))を示す。なお、入射角度は、入射する面の法線に対する角度である。なお、ダイクロイックミラー9の入射角度45°の光線に対する長波長側のカット波長(透過率50%の波長)は、ほぼ590nmである。
この図から、ダイクロイックミラー9では、入射角度αが45°よりも小さい光線に対する透過率のグラフは、入射角度αが45度の光線に対する透過率のグラフに対して全体的に長波長側にシフトすることが分かる。なお、入射角度αが45°よりも大きい光線に対する透過率のグラフは、短波長側にシフトする。ここで、ダイクロイックミラー9における入射角度αが45°よりも小さい光線に対する透過率が少なくとも10パーセント以上である波長帯域が、第1の波長帯域に相当する。つまり、G光路には、先に例示したG光の波長帯域より長い波長帯域の光が若干含まれる。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
また、図5には、G−PBS10の偏光分離面10aのS偏光に対する透過率特性を示している。図中の実線は、入射角度βが45°のS偏光に対する透過率(Ts45)を示し、一点鎖線は、入射角度βが45°よりも小さいS偏光に対する透過率(Ts(β<45))を示している。さらに、点線は、入射角度βが45°よりも大きいS偏光に対する透過率(Ts(β>45))を示している。
この図から、G−PBS10の偏光分離面10aでは、入射角度βが45°よりも大きいS偏光に対する透過率のグラフは、入射角度βが45°のS偏光に対する透過率のグラフに対して全体的に短波長側にシフトすることが分かる。なお、入射角度βが45°よりも小さいS偏光に対する透過率のグラフは、長波長側にシフトする。
図6に示すように、ダイクロイックミラー9に入射する光線の入射角度αが45°よりも小さいときには、G−PBS10の偏光分離面10aに入射する光線の入射角度βは45°よりも大きくなる。
ここで、本実施例では、色分離合成光学系3に入射する光のほとんどがP偏光であるが、実際には、偏光変換素子2aで変換しきれなかったS偏光成分も僅かに混ざっている。このG光の光路に含まれる僅かなS偏光成分がG−PBS10に入射した場合、図5に示すS偏光に対する透過率特性に従って、該G光路内の長波長側のS偏光成分がG−PBS10の偏光分離面10aを透過してしまう。
そして、G−PBS10の偏光分離面10aを透過したG光路内のS偏光成分は、Gパネル6に入射するが、黒表示時には画像変調を受けないためにS偏光としてGパネル6から射出する。さらに、G−PBS10の偏光分離面10aで反射されて合成PBS12に導かれ、投射レンズ4を介してスクリーン5に到達する。このG光路において発生するいわゆる漏れ光は、黒表示時の投射画像の色味や色むらを劣化させ、コントラストを低下させる。
ここで、図6において、Gパネル6への光線の入射角度をθとした場合、G−PBS10の偏光分離面10aへの入射角度βは、下記の式で表される。
本実施例では、入射角度βにおけるG−PBS10の偏光分離面10aのS偏光に対する透過率をTs(β)とするときに、
を満足するように、G−PBS10の偏光分離面10aの特性を設定している。
すなわち、図6に示すように、G光路において、ダイクロイックミラー9に45°よりも小さい入射角度αで入射し、かつG−PBS10の偏光分離面10aに対して45°よりも大きい入射角度βで入射するS偏光を、ここでは第1の入射角度光とする。そして、図4に示すように、G光路において、第1の入射角度光に対するダイクロイックミラー9の透過率が最大となる波長よりも長い波長であって該ダイクロイックミラー9の透過率が10%となる波長をWaとする。さらに、Waよりも短い波長範囲をWとする。
このとき、偏光分離面10aは、波長範囲Wの第1の入射角度光(S偏光)に対する透過率が5%以下である特性を有する。該5%以下の透過率を示すのが、図中のAの部分である。
図10には、従来のG−PBSの偏光分離面のS偏光に対する透過率特性を示している。図中の実線は入射角度45°のS偏光に対する透過率を示し、点線は入射角度が45°よりも大きいS偏光に対する透過率を示す。また、一点鎖線は入射角度が45°よりも小さいS偏光に対する透過率を示している。
図10において、従来のG−PBSの偏光分離面での入射角度45°のS偏光に対するカット波長(透過率50%の波長)は、ほぼ590nmである。これに対し、図5に示すように、本実施例のG−PBS10の偏光分離面10aでの入射角度45°のS偏光に対するカット波長は、ほぼ640nmである。すなわち、偏光分離面10aでの入射角度45°のS偏光に対するカット波長を、従来の偏光分離面およびダイクロイックミラー9での入射角度45°のS偏光に対するカット波長(ともにほぼ590nm)に比べて長波長側にシフトさせている。これにより、上記(2)式を満足する特性を実現している。
本実施例によれば、G光路において、ダイクロイックミラー9に45°よりも小さい入射角度αで入射してダイクロイックミラー9を透過したS偏光は、G−PBS10の偏光分離面10aを5%以下の透過率でしか透過しない。このため、G−PBS10の入射側に偏光板を設けなくても、黒表示時にはごく僅かなS偏光しかGパネル6に入射しない。したがって、黒の色味や色むらを改善して画像のコントラストを向上させることができる。また、本実施例では、偏光板の機能をG−PBS10の偏光分離面に持たせているため、従来G−PBSの入射側に配置していた偏光板が不要となる。このため、コストダウンと偏光板の劣化による不都合を回避することができる。
図7には、本発明の実施例2である液晶プロジェクタの構成を示している。基本的な構成は実施例1の液晶プロジェクタと同じであるため、共通する構成要素には実施例1と同符号を付している。
但し、本実施例では、照明光学系2(偏光変換素子2a′)からの偏光光がS偏光となる。
また、ダイクロイックミラー9によってR光およびB光とG光とを分離することも実施例1と同じである。しかし、本実施例では、波長選択性位相板15によって、R光はS偏光のままとし、B光をS偏光からP偏光へと偏光状態を変化させる。これ以外のR光およびB光に対する光学作用は、実施例1と同様である。
G光の光路において、ダイクロイックミラー9を透過したG光は、S偏光としてG−PBS10に入射し、該G−PBS10の偏光分離面10aにて反射してGパネル6に入射する。Gパネル6で画像変調されたG光はP偏光となり、G−PBS10の偏光分離面10aを透過して合成PBS12に向かう。
G−PBS10を射出したG光は、G−PBS10と合成PBS12との間に設けられた偏光板17によって検光され、合成PBS12の偏光分離面で反射されて投射レンズ4に導かれ、スクリーン5に至る。合成PBS12は、実施例1と同様の特性を有する。
図8は、本実施例のG−PBS10の偏光分離面10aでのP偏光に対する反射率特性を示すグラフである。G−PBS10の偏光分離面10aでは、点線で示す入射角度が45°よりも大きいP偏光に対する反射率(Rp(β>45))のグラフは、実線で示す入射角度45°のP偏光光線に対する反射率(Rp45)のグラフに対して全体的に短波長側にシフトする。なお、一点鎖線で示す入射角度が45°よりも小さいP偏光に対する反射率(Rp(β<45))のグラフは、長波長側にシフトする。
照明光学系2から射出する光はほとんどがS偏光であるが、実際には、僅かにP偏光成分が混ざっている。このP偏光成分は、G光路においてG−PBS10の偏光分離面10aをほとんど透過するが、実際には、図8に示すように、短波長側において反射する成分がある。
図9に示すように、Gパネル6への光線の入射角度をθとした場合、G−PBS10の偏光分離面10aへの入射角度βは上記(1)式で表される。
本実施例では、入射角度βにおけるG−PBS10の偏光分離面10aのP偏光に対する反射率をRp(β)とするときに、
を満足するように、G−PBS10の偏光分離面10aの特性を設定している。
すなわち、図9に示すように、G光路において、ダイクロイックミラー9に45°よりも小さい入射角度αで入射し、かつG−PBS10の偏光分離面10aに対して45°よりも大きい入射角度βで入射するP偏光を、ここでは第1の入射角度光とする。そして、図4に示すように、G光路において、第1の入射角度光に対するダイクロイックミラー9の透過率が最大となる波長よりも長い波長であって該ダイクロイックミラー9の透過率が10%となる波長をWaとする。さらに、Waよりも短い波長範囲をWとする。
このとき、偏光分離面10aは、波長範囲Wの第1の入射角度光(P偏光)に対する反射率が5%以下である特性を有する。該5%以下の反射率を示すのが、図8中のBの部分である。なお、Wの短波長側の端よりも短波長の部分は、ダイクロイックミラー9によってカットされるので、ここでは無関係である。
本実施例では、偏光分離面10aでの入射角度45°のP偏光に対する特性を、従来の偏光分離面およびダイクロイックミラー9での入射角度45°のS偏光に対する特性に比べて短波長側にシフトさせることにより、上記(3)式を満足する特性を実現している。
本実施例によれば、G光路において、ダイクロイックミラー9に45°よりも小さい入射角度αで入射してダイクロイックミラー9を透過したP偏光は、G−PBS10の偏光分離面10aで5%以下の反射率でしか反射されない。このため、G−PBS10の入射側に偏光板を設けなくても、黒表示時の漏れ光を低減でき、黒の色味や色むらを改善して画像のコントラストを向上させることができる。しかも、偏光板を不要とすることによって、コストダウンと偏光板の劣化による不都合を回避することができる。
なお、上記各実施例では、反射型液晶パネルを使用したプロジェクタについて説明したが、本発明は、透過型液晶パネルやDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)等の他の光変調素子又は画像形成素子を用いる場合にも適用できる。
また、上記各実施例では、ダイクロイックミラー9によってG光を反射し、R光およびB光を透過する場合について説明したが、これは例にすぎない。本発明は、他の色分解光学系、例えばダイクロイックミラーによってB光を透過し、該B光よりも長い波長のG光を反射する色分解光学系にも適用することができる。
本発明の実施例1である液晶プロジェクタの概略構成図。 実施例1における波長選択性位相板の特性図。 実施例1における合成PBSの特性図。 実施例1におけるダイクロイックミラーの透過率特性図。 実施例1におけるG−PBSのS偏光に対する透過率特性図。 実施例1におけるダイクロイックミラーからGパネルまでの光路図。 本発明の実施例2である液晶プロジェクタの概略構成図。 実施例2におけるG−PBSのP偏光に対する反射率特性図。 実施例2におけるダイクロイックミラーからGパネルまでの光路図。 従来のG−PBSのS偏光に対する透過率特性図。
符号の説明
1 光源
2 照明光学系
3 色分解合成光学系
4 投射レンズ
5 スクリーン
6,7,8 反射型液晶パネル
9 ダイクロイックミラー
10,11,12 偏光ビームスプリッタ
15 波長選択性位相板

Claims (7)

  1. 光源からの光のうち、緑の波長帯域の光を透過し、赤及び青の波長帯域の光を反射するダイクロイック面と、前記ダイクロイック面を透過した光を透過させて反射型の光変調素子へと導く偏光分離面とを有する色分解光学系であって、
    前記緑の波長帯域の光の光路において、前記ダイクロイック面に45°よりも小さい入射角度で入射し、かつ前記偏光分離面に対して45°よりも大きい入射角度で入射する直線偏光を第1の入射角度光とし
    記第1の入射角度光に対する前記ダイクロイック面の透過率が最大となる波長よりも長い波長であって該ダイクロイック面の透過率が10%となる波長をWaとし、Waよりも短い波長範囲をWとするとき、
    前記偏光分離面は、波長範囲Wにおける前記第1の入射角度光に対するS偏光の透過率が5%以下である特性を有することを特徴とする色分解光学系。
  2. 前記偏光分離面に対して45°で入射する光に対して、前記偏光分離面のS偏光に対する透過率が50%である波長は、600nmから650nmの間にあることを特徴とする請求項1に記載の色分解光学系。
  3. 前記偏光分離面の前記第1の入射角度光に対するカット波長は、前記ダイクロイック面の前記第1の入射角度光に対するカット波長よりも長い波長に設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の色分解光学系。
  4. 光源からの光のうち、緑の波長帯域の光を透過し、赤及び青の波長帯域の光を反射するダイクロイック面と、前記ダイクロイック面を透過した光を反射させて反射型の光変調素子へと導く偏光分離面とを有する色分解光学系であって、
    前記緑の波長帯域の光の光路において、前記ダイクロイック面に45°よりも小さい入射角度で入射し、かつ前記偏光分離面に対して45°よりも大きい入射角度で入射する直線偏光を第1の入射角度光とし
    記第1の入射角度光に対する前記ダイクロイック面の透過率が最大となる波長よりも長い波長であって該ダイクロイック面の透過率が10%となる波長をWaとし、Waよりも短い波長範囲をWとするとき、
    前記偏光分離面は、波長範囲Wにおける前記前記第1の入射角度光に対するP偏光の反射率が5%以下である特性を有することを特徴とする色分解光学系。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の色分解光学系を含み、前記光変調素子からの光を投射レンズを介して投射することを特徴とする画像表示光学系。
  6. 請求項に記載の画像表示光学系を用いて画像を投射することを特徴とする画像投射装置。
  7. 請求項に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像情報を供給する画像供給装置を有することを特徴とする画像表示システム。
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