JP4138743B2 - 液晶プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルを用いて画像を投写表示する液晶プロジェクタに関し、詳しくは偏光発生部に遮蔽板を備える液晶プロジェクタに関する。

液晶プロジェクタは、液晶ライトバルブで光を変調して、スクリーン上に画像を投写する。光源からの照射光を有効に活用するため、通常、例えばＪＰ１９９６−３０４７３９Ａ公報に開示されているように、照射光をｓ偏光またはｐ偏光に揃えて液晶ライトバルブに入射する偏光発生部が設けられている。例えば、ｓ偏光を発生する偏光発生部は、照射光をｓ偏光とｐ偏光とに分離する複数の偏光分離層と、分離された偏光のうち一方を反射する複数の反射層と、分離されたｐ偏光をｓ偏光に変換する位相差層とから構成される。また、偏光分離層と反射層とは交互にかつ平行に配列しており、いずれか一方の層に対応するように位相差層が設けられるのが通常である。更に、反射層に直接光が入射してしまうと、所望の偏光が得られないため、これを防ぐべく、一般的に、例えばＷＯ９７／５００１２号公報に開示されているように、偏光発生部には、偏光分離層以外の部分への光の入射を遮る遮光板が設けられている。遮光板は、偏光発生部の入射側に設けられるものであり、反射層に対応する部分が遮光部、偏光分離層に対応する部分が開口部となった板状の部材である。
なお、このような構成の偏光発生部は、光源からの光束を複数の部分光束に分割した後、液晶ライトバルブ上で重畳するいわゆるインテグレータ光学系と組み合わせて用いられるものであり、この場合、光源からの光は、複数の部分光束に分割され、複数の部分光束は偏光分離層に向かって収束する。つまり、遮光板の開口部に集光した状態で偏光分離部に入射する。従って、遮光板で遮られるのは約５％程度の光である。
遮光部材は、光を遮る際に発熱する。従来、この熱により、偏光発生部、ひいてはそこに設けられた位相差層が高温になることがあった。一般に、位相差層は、有機物で構成されているため、高温に晒されることにより、寿命が低下することがあった。

この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、偏光発生部における発熱による弊害を緩和することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明では、第１の構成として、液晶ライトバルブによって偏光を変調して画像を投写するプロジェクタにおいて、
光束を射出する光源と、
該光束を複数の部分光束に分割するレンズアレイと、
前記部分光束を入射し、前記液晶ライトバルブに射出する偏光を発生する偏光発生部とを備え、
該偏光発生部は、
入射した前記複数の部分光束のそれぞれをｓ偏光とｐ偏光とに分離する複数の偏光分離層と、
前記偏光分離層によって分離されたｓ偏光とｐ偏光のうち、一方を反射する複数の反射層と、
該分離されたｓ偏光とｐ偏光の偏光方向を揃える位相差層とを有し、
前記偏光分離層と前記反射層とは交互に配置されており、
前記部分光束が前記偏光分離層以外に入射するのを抑制する複数の遮光部が前記反射層に対応して設けられた第１の遮光部材を、前記偏光発生部の入射側と前記レンズアレイとの間に備え、
前記部分光束が前記偏光分離層以外に入射するのを抑制する複数の遮光部が前記反射層に対応して設けられた第２の遮光部材を、前記第１の遮光部材と前記レンズアレイとの間に備えることを要旨とする。
本発明のプロジェクタでは、偏光発生部以外にも遮光部材が設けられている。こうすることにより、偏光発生部に設けられた遮光部材での発熱を抑制することができ、位相差層の寿命低下など熱による弊害を緩和することができる。
一般に遮光部材は、偏光発生部に近い程、偏光分離層以外への部分光束の入射を精度良く遮光することが可能である。本発明では、偏光発生部も含めて２カ所以上に遮光部材を設けることにより、遮光の精度確保と、熱による弊害緩和を両立することができる。
本発明においては、 前記第２の遮光部材の前記遮光部の幅は、前記第１の遮光部材の前記遮光部の幅より小さくすることが好ましい。
こうすることにより、無用な遮光を抑制することができる。複数枚の遮光部材が設けられている場合には、必ずしも全てがかかる関係にある必要はない。
本発明のプロジェクタは、
更に、前記偏光発生部の入射側に第２のレンズアレイが設けられ、
前記第１の遮光部材は、前記第２のレンズアレイの光射出側に設けられ、
前記第２の遮光部材は、前記第２のレンズアレイの光入射側に設けられる構成としてもよい。
インテグレータ光学系では、偏光発生部に近づくにつれて、部分光速が集光されていく、従って、偏光発生部の入射側に第２のレンズアレイを配置する構成では、第２のレンズアレイを挟むように遮光部材を配置することにより、本来利用できる光を遮る可能性を抑制することができ、また、利用できない光を確実に遮光しやすくなるという、光の利用効率と遮光効率の向上を図ることができる利点がある。
本発明は、第２の構成として、
液晶ライトバルブによって偏光を変調して画像を投写するプロジェクタであって、
光束を射出する光源と、
該光束を複数の部分光束に分割するレンズアレイと、
前記部分光束を入射し、前記液晶ライトバルブに射出する偏光を発生する偏光発生部とを備え、
該偏光発生部は、
入射した前記複数の部分光束のそれぞれをｓ偏光とｐ偏光とに分離する複数の偏光分離層と、
前記偏光分離層によって分離されたｓ偏光とｐ偏光のうち、一方を反射する複数の反射層と、
該分離されたｓ偏光とｐ偏光の偏光方向を揃える位相差層とを有し、
前記偏光分離層と前記反射層とは交互に配置されており、
前記部分光束が前記偏光分離層以外に入射するのを抑制する複数の遮光部が前記反射層に対応して設けられた複数の遮光部材を、前記偏光発生部の入射側と前記レンズアレイとの間に備えるプロジェクタとしてもよい。
遮光部材は、第１レンズアレイと偏光発生部の間の任意の位置に、任意の枚数、設けることができる。かかる構成によっても、第１の構成と同様の効果を得ることができる。
第２の構成においては、複数の遮光部材の各々の遮光部の幅は、偏光発生部から離れるに従って小さくしてもよい。
また、偏光発生部の入射側に第２のレンズアレイが設けられ、
複数の遮光部材のうち、少なくとも一つは、第２のレンズアレイの光射出側に設けられ、
残りの複数の遮光部材のうち、少なくとも一つは、前記第２のレンズアレイの光入射側に設けてもよい。

図１は、実施例としてのプロジェクタの概略構成を示す説明図である。
図２は、照明光学系１００の拡大図である。
図３は、遮光部材の配置を示す説明図である。
図４は、遮光部材１４３を例示する説明図である。
図５は、遮光部材１５３を例示する説明図である。
図６は、変形例としての遮光部材の配置を示す説明図である。

Ａ．全体構成：
図１は実施例としてのプロジェクタの概略構成を示す説明図である。プロジェクタ１０００は、照明光学系１００、色光分離光学系２００、リレー光学系２２０、３つの液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５２０、および投写レンズ５４０を備えている。
照明光学系１００は光源１２０から光を射出する。色光分離光学系２００は、ダイクロイックミラー２０２、２０４によって、この光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離する。ダイクロイックミラー２０２は、赤色光Ｒを透過させ、青色光Ｂと緑色光Ｇとを反射することで、赤色光Ｒを分離する。ダイクロイックミラー２０２は、青色光Ｂを透過させ緑色光Ｇを反射することで、青色光Ｂと緑色光Ｇとを分離する。
赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射し、フィールドレンズ２３２を通って、液晶ライトバルブ３００Ｒに入射する。フィールドレンズ２３２は、この入射光を中心軸に対してほぼ平行な光束に変換する。緑色光Ｇは、ダイクロイックミラー２０４で反射し、フィールドレンズ２３４を通って、液晶ライトバルブ３００Ｇに入射する。青色光は、リレー光学系２２０によって液晶ライトバルブ３００Ｂに入射する。リレー光学系２２０は、３つのレンズ、即ち、入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６、およびフィールドレンズ２３０と、２つの反射ミラー２２４、２２８で構成されている。
各色光は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂで画像情報に応じて変調される。変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム５２０で合成され、投写レンズ５４０を介してスクリーンＳＣ上に投写される。
Ｂ．照明光学系：
図２は照明光学系１００の拡大図である。本実施例では、インテグレータ光学系、即ち光源からの光束を複数の部分光束に分割した後、液晶ライトバルブで重畳する光学系を用いた。
照明光学系１００において、光源装置１２０は略平行な光線束を射出する。光源ランプ１２２から射出された光は、リフレクタ１２４によって反射される。本実施例では、リフレクタ１２４は、回転楕円面形状の凹面としたが、回転放物面形状の凹面としてもよい。反射光は、平行化レンズ１２６によって光源光軸１２０ａｘにほぼ平行な光に変換される。
第１のレンズアレイ１４０は、ｘ方向とｙ方向にマトリクス状に配列された複数の平凸レンズ１４２を有している。各凸レンズ１４２をｚ方向から見たときの矩形の輪郭形状は、液晶ライトバルブＬＡの画像形成領域と相似形である。第１のレンズアレイ１４０は、光源装置１２０から射出された光線束を複数の部分光線束に分割する。なお、本実施例では平凸レンズ１４２を用いているが、両凸レンズであっても良い。また、本実施例では平凸レンズ１４２の曲面が光源１２０側になっているが、偏光発生光学系１６０側にしてもよい。
第２のレンズアレイ１５０は、第１のレンズアレイ１４０と同様、ｘ方向とｙ方向にマトリクス状に配列された複数の平凸レンズ１５２を有している。第２のレンズアレイ１５０は、部分光線束のそれぞれの中心軸がシステム光軸１００ａｘにほぼ平行となるように揃える機能を有する。なお、本実施例では、第２のレンズアレイ１５０として、第１のレンズアレイ１４０と同じ大きさ、同じ形状のレンズアレイを用いているが、異なる大きさや異なる形状のレンズアレイを用いても良い。また、第１のレンズアレイ１４０と異なり、各凸レンズ１５２をｚ方向から見たときの輪郭の形状は、液晶ライトバルブＬＡの画像形成領域と相似形である必要は無い。また、本実施例では平凸レンズ１５２を用いているが、両凸レンズであってもよい。また、平凸レンズ１５２の曲面の向きは、光源１２０側でなく、偏光発生光学系１６０側としてもよい。
偏光発生光学系１６０は、遮光部材６２、偏光ビームスプリッタアレイ６４、および選択位相差板６６を備えている。
偏光ビームスプリッタアレイ６４は、略平行四辺形の断面を有する柱状の透光性板材が複数貼り合わされている。各透光性板材の界面には、偏光分離膜６４ａと反射膜６４ｂとが交互に形成されている。偏光分離膜６４ａは、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射することにより、入射した部分光線束をｓ偏光とｐ偏光とに分離する。偏光分離膜６４ａは、例えば、誘電体多層膜で形成することができる。反射膜６４ｂは、全光束を反射する膜であり、誘電体多層膜や金属膜で形成することができる。なお、反射膜６４ｂとして、全光束（ｓ偏光、ｐ偏光の両方）を反射する膜の代わりに、ｓ偏光のみを反射する膜を採用してもよい。このような膜は、誘電体多層膜によって形成することが可能である。
遮光部材６２には、遮光面６２ｂと開口面６２ａとがストライプ状に配列されている。遮光面６２ｂは反射膜６４ｂへの光の入射を遮るよう配置され、開口面６２ａは、偏光分離膜６４ａに光を入射させるよう配置されている。遮光部材６２としては、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いてもよい。また、遮光部材６２ａは、偏光ビームスプリッタアレイ６４の光入射側面のうち、反射膜６４ｂに対応する部分にのみ、遮光性の蒸着膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜）による遮光面を形成したものであってもよい。なお、図２では図示を省略しているが、本実施例では、遮光部材６２以外にも、遮光部材を設けている。これら遮光部材の配置に関しては、後に詳細に説明する。
選択位相差板６６は、開口層６６ａとλ／２位相差層６６ｂとがストライプ状に配列されている。開口層６６ａは、偏光光をそのまま透過する。λ／２位相差層６６ｂは、有機物で構成された偏光変換素子であり、入射光の偏光方向を直交する方向に変換して射出する。この機能により、例えば、ｐ偏光はｓ偏光に変換される。λ／２位相差層６６ｂは、偏光分離膜６４ａを透過した光が入射するよう配置されている。なお、選択位相差板６６は、開口層６６ａを省略し、λ／２位相差層６６ｂのみを配置した構成としても良い。また、λ／２位相差層６６ｂと開口層６６ａの位置を逆にして、反射膜６４ｂに対応する部分にλ／２位相差層６６ｂを設けるようにしても良い。要するに、選択位相差板６６は、偏光ビームスプリッタアレイ６４から射出される光の偏光方向がそろうような構成となっていれば良く、本実施例の構成には限定されない。
レンズアレイ１４０、１５０から射出された部分光線束は、遮光部材６２の開口面６２ａを通り、偏光分離膜６４ａに入射する。入射光のうち、ｐ偏光は偏光分離膜６４ａを透過してλ／２位相差層６６ｂに入射し、ｓ偏光に変換される。入射光のうち、ｓ偏光は偏光分離膜６４ａで反射され、開口層６６ａからそのまま射出される。この結果、偏光発生光学系１６０からの射出光は、ｓ偏光にほぼ統一される。偏光発生光学系１６０は、λ／２位相差層６６ｂと開口層６６ａとの配置を入れ替えることにより、ｐ偏光に統一する機構として構成してもよい。
偏光発生光学系１６０から射出された部分光線束は、重畳レンズ１７０によって照明領域ＬＡ上で重畳される。このとき、照明領域ＬＡを照射する光の強度分布は、ほぼ均一となる。
Ｃ．遮光部材の配置：
図３は遮光部材の配置を示す説明図である。レンズアレイ１４０、１５０および偏光発生光学系１６０の拡大図を示した。図２では図示を省略したが、本実施例では、先に説明した遮光部材６２と第１レンズアレイ１４０との間に、遮光部材１４３、１５３が配置されている。
遮光部材１４３は、第１のレンズアレイ１４０の光射出側に設けられている。遮光部材１４３は、図４に示されたように、開口面１４３ａと遮光面１４３ｂとがストライプ状に配置された構成となっている。遮光面１４３ｂは、レンズ１５２のｙ軸方向の境目に設けられている。遮光部材１４３は、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものを用いることができる。アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いても良い。また、本実施例のレンズアレイ１４０では、曲面を光源１２０側に向けた平凸レンズ１５２を用いているため、遮光部材１４３として、第１のレンズアレイ１４０の光射出側面に遮光性の蒸着膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜）による遮光面を形成したものを採用することも可能である。
遮光部材１５３は、第２のレンズアレイ１５０の光射出側に設けられている。遮光部材１５３は、図５に示されたように、レンズアレイ１５０を構成するレンズ１５２の平坦な面上に、ｙ軸方向の境目に沿ってストライプ状に、遮光性の蒸着膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜）による遮光面１５３ｂを形成した構成となっている。遮光部材１５３は、このような構成に限られず、平板状の透明体（例えばガラス板）に遮光性の膜（例えばクロム膜や、アルミニウム膜、誘電体多層膜など）を部分的に形成したものであっても良いし、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたものを用いても良い。
光源２０から射出された光束は、系が完全に理想的な状態であれば、図中一点鎖線ＬＰ３で示したように、レンズアレイ１４０に平行に入射して複数の部分光束に分割された後、偏光発生光学系１６０に向かうに従って収束していき、偏光分離膜６４ａ上でスポット状となる。しかし、実際には、光源ランプ１２２が点光源ではない（光源ランプ１２２の発光部が有限の大きさを有している）ことや、光学要素の設計誤差、光学要素間の軸のずれ等、様々な要因により、図中破線ＬＰ２で示したように、遮光部材６２の開口面６２ａの内側に集光しきれない場合がある。遮光部材１４３、１５３を設けない場合には、領域Ａで遮光部材６２のみによって遮光を行っているため、遮光部材６２の発熱量が大きくなってしまう。本実施例では、遮光部材１４３、１５３を設けることで、図中実線ＬＰ１で示したように発熱部位が拡散するため、遮光部材６２での発熱を抑制することができる。従って、有機物を用いて構成された選択位相差板６６の発熱を抑制することができ、その寿命低下を抑制することができる。
ここで、部分光束が、理想的には一点鎖線ＬＰ３で示したように偏光発生光学系１６０に向かうに従って収束していくことを考慮すると、遮光部材６２から遠くに設けられている遮光部材ほど、遮光面の幅（ｘ方向のサイズ）を小さくすることが好ましい。つまり、遮光部材１４３の遮光面１４３ｂの幅を、遮光部材１５３の遮光面１５３ｂの幅よりも小さく設定することが好ましい。同様に、遮光部材６２の存在をも考慮すると、偏光発生部１６０から離れるに従って、遮光部材の遮光面の幅（ｘ軸方向のサイズ）を小さくすることが好ましい。つまり、（遮光面６２ｂの幅）＞（遮光面１５３ｂの幅）＞（遮光面１４３ｂの幅）、というような関係に設定することが好ましい。遮光面６２ｂ、１５３ｂ、１４３ｂの幅をこのような関係に設定することにより、液晶ライトバルブ３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂで利用可能な光を不当に遮ってしまう可能性を低くすることが可能となるからである。
例えば、選択位相差板６６の高温化を回避するために偏光ビームスプリッタアレイ６４に冷却機構を設ける場合、本実施例では、遮光部材６２での発熱が抑制されるため、冷却機構の小型化、低騒音化を図ることができる。
反射膜６４ｂへの光の入射を遮る遮光性能という観点からは、偏光ビームスプリッタアレイ６４自身に遮光部材６２を設けることが好ましい。本実施例では、遮光部材６２を備えつつ、更に、遮光部材１４３、１５３を併用することにより、遮光性能の確保と、遮光部材６２の発熱抑制とを両立することができる。
Ｄ．変形例：
遮光部材の数や位置は、発熱に対する許容度や、部分光束の集光の度合いなどを考慮して適宜設定すればよい。また、遮光部材の遮光面の幅は、発熱に対する許容度や、部分光束の集光の度合いに加え、遮光部材を設ける位置などを考慮して適宜設定すればよい。
即ち、先に説明した実施例では、３つの遮光部材６２、１４３、１５３を用いていたが、遮光部材の数は３つには限られない。例えば、遮光部材１４３、１５３の一方を省略してもよい。また、本実施例では、偏光発生光学系１６０に遮光部材６２を設けているが、これを省略してもよい。遮光性能は低下する可能性があるものの、偏光発生光学系における発熱を、より抑制することが可能となる。また、遮光部材６２、１４３、１５３に加え、レンズアレイ１５０と偏光発生光学系１６０との間（例えば図３の領域Ｂの位置）や、レンズアレイ１４０とレンズアレイ１５０との間（例えば図３の領域Ｃの位置）に、遮光部材を設けても良い。
更に、遮光部材を設ける位置も、上記実施例で説明したものには限られない。例えば、上記実施例では、遮光部材１４３が第１のレンズアレイ１４０の光射出側に設けられていたが、これをレンズアレイ１４０とレンズアレイ１５０の間で、もう少し第２のレンズアレイに近い位置（例えば、図３の領域Ｃの位置）にずらしても良い。同様に、上記実施例では、遮光部材１５３が第２のレンズアレイ１５０の光射出側に設けられていたが、これを、レンズアレイ１５０と偏光発生光学系１６０との間で、もう少し偏光発生光学系１６０に近い位置（例えば図３の領域Ｂの位置）にずらしても良い。
つまり、遮光部材は、第１のレンズアレイ１４０と、偏光発生部としての機能を伴った偏光ビームスプリッタアレイ１６４の入射側との間に、最低２つ設けられておればよい。
実用性を考慮した場合、第２のレンズアレイ１５０を挟むように、２つの遮光部材を配置することが好ましい。つまり、図６に示したように、第２のレンズアレイ１５０の光射出側に一方の遮光部材６２もしくは１５３を設け、第２のレンズアレイ１５０の光入射側に他方の遮光部材１４３を設けるということである。先に説明した通り、部分光束は、偏光ビームスプリッタアレイ６４に近づくに従って、収束していく。よって、遮光部材をこのように配置すれば、本来利用できるはずであった光を遮ってしまう可能性が減り、また、逆に、利用できない光を確実に遮光しやすくもなる。従って、発熱部位の拡散という効果を発揮しつつ、光の利用効率と、遮光効率の向上を図ることが可能となるからである。
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、本発明は反射型の液晶装置を用いた投写型表示装置にも同様に適用することができる。液晶プロジェクタには、投写面を観察する側から画像を投写するフロント型と、投写面の観察する側とは反対の方向から画像を投写するリア型のものが存在するが、本発明はいずれにも適用することが可能である。液晶ライトバルブの数は、３つに限定されず、単板、２枚、または４枚以上備えられていても良い。また、カラープロジェクタに限らず、モノクロのプロジェクタにも適用可能である。

本発明は、液晶パネルを用いて画像を投写表示する液晶プロジェクタにおいて、偏光発生部の発熱を抑制するのに利用することができる。

Claims (2)

1. 液晶ライトバルブによって偏光を変調して画像を投写するプロジェクタであって、
   光束を射出する光源と、
   該光束を複数の部分光束に分割するレンズアレイと、
   前記部分光束を入射し、前記液晶ライトバルブに射出する偏光を発生する偏光発生部とを備え、
   該偏光発生部は、
   入射した前記複数の部分光束のそれぞれをｓ偏光とｐ偏光とに分離する複数の偏光分離層と、
   前記偏光分離層によって分離されたｓ偏光とｐ偏光のうち、一方を反射する複数の反射層と、
   該分離されたｓ偏光とｐ偏光の偏光方向を揃える位相差層とを有し、
   前記偏光分離層と前記反射層とは交互に配置されており、
   前記プロジェクタは、
   前記部分光束が前記偏光分離層以外に入射するのを抑制する複数の遮光部が前記反射層に対応して設けられ、前記偏光発生部の入射側において前記偏光発生部自身に取り付けられた第１の遮光部材と、
   前記部分光束が前記第１の遮光部材の遮光部に入射するのを抑制するための複数の遮光部が前記反射層および前記第１の遮光部材の遮光部に対応して設けられ、前記第１の遮光部材と前記レンズアレイとの間に配置された第２の遮光部材と、
   を備え、
   前記第２の遮光部材の前記遮光部の幅は、発熱部位が拡散するように、前記第１の遮光部材の前記遮光部の幅より小さくされている、プロジェクタ。
2. 請求項１記載のプロジェクタであって、さらに、
   第１の遮光部材と前記第２の遮光部材の間に設けられた第２のレンズアレイを備えるプロジェクタ。

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