JP4806912B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は画像投射装置（プロジェクタ装置）に関する。特に本発明は、液晶パネルなどを画像表示手段として用いたプロジェクタ装置に関する。特定的には、本発明は、反射型液晶パネルなどの画像表示手段で光を反射して変調する形式の反射型画像投射装置に関する。

画像表示手段に偏光光を変調して画像を表示する液晶表示装置（液晶パネル）を用いたプロジェクタ装置として、液晶パネル内に被変調光を透過させ、被変調光が液晶パネルを透過する過程で変調をうける透過型プロジェクタ装置と、被変調光を液晶パネルに照射し、照射された被変調光が液晶パネルで反射されるとき変調されて偏光軸を変化される反射型プロジェクタ装置とが知られている。本発明は特に、後者の反射型プロジェクタ装置に関する。

反射型プロジェクタ装置としては、たとえば、特開平８−１５７９４号公報に記載されているものが知られている。特開平８−１５７９４号公報に記載されている反射型プロジェクタ装置は、照明系と光学系との干渉を極力避けて、小型、薄型化を意図したものである。

図７は、そのような反射型プロジェクタ装置の代表例として、画像表示部として、反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ：LiquidCrystalonSilicon）を用いた反射型プロジェクタ装置の光学系の構成図である。図７に図解した反射型プロジェクタ装置は、３原色光、すなわち、青色、緑色、赤色を提供する光源として、白色光を出力するランプ２０１と、コリメータレンズ２０２と、フライアイ（蠅の目）レンズ２０３、２０４と、入射光の例えばＰ偏光成分の光をＳ偏光に変換して出力するＰＳ変換手段２０５と、メインコンデンサレンズ２０６と、青色反射ダイクロッイクミラー２０７と、緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８と、全反射ミラー２０９、２１０と、緑反射ダイクロイックミラー２１１とを有する。

反射型プロジェクタ装置はさらに、クロスプリズム２２４と、このクロスプリズム２２４の周囲に配設された、３個の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、すなわち、第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１８、第２ＰＢＳ２１９、第３ＰＢＳ２２３を有する。反射型プロジェクタ装置は、クロスプリズム２２４を挟んで、第２ＰＢＳ２１９と対向する側に投射レンズ２２５を有する。第２ＰＢＳ２１９の一方の面側には、コンデンサレンズ２１２が配設され、他方の面に緑色用液晶反射パネル２１３と１／４波長板２１４とが配設されている。第１ＰＢＳ２１８の一方の面側には、コンデンサレンズ２１５が配設され、他方の面に赤色用液晶反射パネル２１７と１／４波長板２１６とが配設されている。第３ＰＢＳ２２３の一方の面側には、コンデンサレンズ２２０が配設され、他方の面に緑色用液晶反射パネル２２２と１／４波長板２２１とが配設されている。

光源からは３原色光、すなわち、青色光、緑色光、赤色光が下記のごとく出力される。赤色光は、メインコンデンサレンズ２０６から出力された白色光が緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８で反射され、全反射ミラー２０９で反射され、緑反射ダイクロイックミラー２１１を透過し、コンデンサレンズ２１５に入射する。緑色光は、メインコンデンサレンズ２０６から出力された白色光が緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８で反射され、全反射ミラー２０９で反射され、緑反射ダイクロックミラー２１１で反射され、コンデンサレンズ２１２に入射する。青色光は、メインコンデンサレンズ２０６から出力された白色光が青色反射ダイクロックミラー２０７で反射され、全反射ミラー２１０で反射され、コンデンサレンズ２２０に入射する。

コンデンサレンズ２１２に入射された緑色光は、第２ＰＢＳ２１９で反射されて１／４波長板２１４を透過して緑色用液晶反射パネル２１３に入射し、そこで変調されると第２ＰＢＳ２１９を透過してクロスプリズム２２４に入射して投射レンズ２２５から、その前方に位置するスクリーン（図示せず）に投射される。コンデンサレンズ２１５に入射された赤色光は、第１ＰＢＳ２１８で反射されて１／４波長板２１６を透過して赤色用液晶反射パネル２１７に入射し、そこで変調されると第１ＰＢＳ２１８を透過してクロスプリズム２２４に入射して投射レンズ２２５から、その前方に位置するスクリーン（図示せず）に投射される。コンデンサレンズ２２０に入射された緑色光は、第３ＰＢＳ２２３で反射されて１／４波長板２２１を透過して緑色用液晶反射パネル２２２に入射し、そこで変調されると第３ＰＢＳ２２３を透過してクロスプリズム２２４に入射して投射レンズ２２５から、その前方に位置するスクリーン（図示せず）に投射される。

３原色光を提供する光源は、特許文献１（特開平８−１５７９４号公報）に図解されているように、上記構成の上部などに配置することができる。
特開平８−１５７９４号公報

第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１８、第２ＰＢＳ２１９、第３ＰＢＳ２２３を用いた反射型プロジェクタ装置は、照明光学系のＦナンバーを小さくできないため、明るさの点で不十分であるという問題に遭遇している。

また偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、図５（Ｂ）に図解したように、入射角度依存性が高く、斜め入射光があると透過率が低下し、投射レンズ２２５から投射した画像のコントラストが低下するという問題に遭遇している。それを改善するためには、光学系の各部品の配置を正確に行い、さらに微細な位置調整が必要になるという不利益に遭遇する。

さらに偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は比較的寸法が大きく、そして、重量的にも重い。その結果、反射型プロジェクタ装置を小型化するのには限界に遭遇している。

偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いると、光学系が全体として複雑であり、光学部品の配置が難しい。そして光学部品の実装が困難である。

反射型プロジェクタ装置には、ランプ２０１、緑色用液晶反射パネル２１３、赤色用液晶反射パネル２１７、緑色用液晶反射パネル２２２などの熱がでるものが配設されていて、その冷却対策（放熱対策）が必要になるが、狭い空間に多数の部品が収容されていると、放熱対策または冷却対策を十分に行うことが難しい。

本発明は上記問題を克服し、小型、軽量で、コントラストに優れ、冷却対策が十分に行え、実装面でも有利な画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、
３つの入射面から入射された赤、緑、青の３原色光を合成して出射面から出射させるクロスプリズムと、
当該クロスプリズムの上記出射面からの光を入射可能に配置され、前記クロスプリズムで合成した光をスクリーンに投射する投射レンズと、
上記クロスプリズムおよび上記投射レンズが配置された面の下部の位置から、上記赤、緑、青の３原色光をそれぞれ照明光として照射する、個別に設けられた３個の光源と、
上記クロスプリズムの上記３つの入射面に対応した位置に配設され、画像表示信号に応じて、上記３個の光源から照射された上記赤、緑、青の３原色光を変調して画像を表示する３個の反射型の画像表示部と、
波長依存性が低く、第１の偏光光を透過させ、上記第１偏光光と直交する偏光軸を持つ第２の偏光光を反射する３個の偏光ビームフィルタであってそれぞれ、垂直方向において上記光源と上記反射型の画像表示部との間に配設され、水平方向において上記クロスプリズムの対応する入射面と対向し、かつ、垂直方向に対して４５度の角度をなす向きに配置され、上記光源から照射された対応する原色光を透過させて上記対応する画像表示部に導き、上記画像表示部において上記画像表示信号に応じて変調された３原色変調画像光が当該偏光ビームフィルタで反射され、上記クロスプリズムの上記対応する入射面に入射するように配置され、第１の偏光光を透過させ、上記第１偏光光と直交する偏光軸を持つ第２の偏光光を反射する、３個の偏光ビームフィルタと、
を備え、
上記クロスプリズムの４つの接合面に垂直な平面に平行になり、かつ、上記クロスプリズムの上記３つの入射面と直交するように、上記画像表示部の表示平面を配置した、
ことを特徴とする画像投射装置が提供される。

好ましくは、上記偏光ビームフィルタに入射する原色照明光は、その偏光面が当該偏光ビームフィルタに対するＰ偏光の向きになるように設定されている。また好ましくは、上記偏光ビームフィルタは、当該偏光ビームフィルタに対するＳ偏光は反射し、Ｐ偏光を透過するようにその向きを配置して構成されている。

好ましくは、上記画像表示部が０％黒色を表示している場合は、上記画像表示部は上記入射された原色光を変調せず、上記画像表示部が１００％の対応する原色光を表示している場合は、上記画像表示部は上記入射された原色光を、その偏光面がほぼ９０度回転するように変調する。

好ましくは、上記クロスプリズムと上記偏光ビームフィルタとの間に、上記クロスプリズムの反射面において光を反射させることで原色合成させる３原色光のうちの２原色光について、上記クロスプリズムの反射面に対しＳ偏光となるように光を入射させる１／２波長板を配置する。

さらに好ましくは、上記１／２波長板と上記偏光ビームフィルタの間に、上記１／２波長板とほぼ平行になるように直線偏光手段を配置し、当該直線偏光手段の透過軸を上記クロスプリズムの反射面に対しほぼＰ偏光となる向きに構成する。

好ましくは、上記クロスプリズムの反射面に対して、光を透過させることで合成させる１原色光について、上記クロスプリズムの当該原色光の入射面にほぼ平行になるように直線偏光手段を配置し、当該直線偏光手段の透過軸を上記クロスプリズムの反射面に対しＰ偏光となる向きにほぼ構成する。

好ましくは、当該画像投射装置は、上記３個の光源を冷却する第１冷却手段を有する。

好ましくは、当該画像投射装置は、３個の反射型の画像表示部を冷却する第２冷却手段を有する。

好ましくは、上記各画像表示部はその反射面（表示面）が下向きに配置されている。さらに好ましくは、上記３個の光学系の下部より、上記各偏光分離部を通り、上記各画像表示部に入射する３原色光をそれぞれ提供する光源をさらに有する。

本発明は、偏光・偏向手段としての光偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に代えて、偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ：PolarizedBeamFilter）を用いる。ＰＢＦは、図５（Ａ）に図解したように、波長依存性が少なく、入射角度依存性も少ない。このような利点を有するＰＢＦを用いることで、下記に列挙する種々の効果を奏することができる。

偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）を用いた本発明の画像投射装置は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた画像投射装置と比較すると、Ｆナンバーを小さくできるので、輝度を高め、コントラストを向上できる。さらに、ＰＢＦを用いた本発明の画像投射装置はＰＢＳを用いた画像投射装置と比較すると、光学部品の配置に余裕が出る。また、光学系を組み立てた後の光学部品の位置の微調整が不要となる。

ＰＢＦを用いると、ＰＢＳを用いた場合に比較して、ＰＢＦを透過する回数を１回減少させる構成をとることができる。その結果、ＰＢＦを用いた本発明の画像投射装置は一層輝度を高め、コントラストを向上できる。

本発明の画像投射装置は、光学系などを整然と配置できる。しかも、クロスプリズムと３個の光学系を同一平面に配置でき、高さ方向の寸法を小さくできる。本発明の画像投射装置はさらに、配置設計が容易であり、収容効率も高いから、コンパクトに収容でき、小型、軽量化を図ることができる。ＰＢＦは小型であり、軽量であり、一層の小型、軽量化を図ることができる。

本発明の画像投射装置は、冷却対策が容易であり、冷却効果も高い。

本発明の画像投射装置は、画像表示部などへの配線が容易で、実装面でも有利である。

本発明の画像投射装置は、投影レンズの配置の柔軟性が高く、投射レンズの上下シフト機構等も実装しやすい。

本発明の画像投射装置は、筐体内を浮遊するゴミなどがパネル面につきにくく、ゴミの付着による偏光光のレベル低下は少なく、表示画質の低下が少ない。

本発明の画像投射装置は、画像表示部を含めた結像光学系がコンパクトに配置されており、機構構造的な剛性を向上しやすい。そのため、３個の画像表示部間の画素位置ずれ等が発生しにくく、高い画質の画像を提供できる。

図１〜図３を参照して本発明の画像投射装置（プロジェクタ装置）の実施の形態としての反射型プロジェクタ装置について述べる。図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１実施の形態のプロジェクタ装置の斜視図である。図２は図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したプロジェクタ装置に適用可能な光源の構成例を示した図である。図３は図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したプロジェクタ装置における部分構成と光線軌跡の１例を図解する図である。図４は図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したプロジェクタ装置に配設されているクロスプリズム周辺の光学系の配置の概要を示す図である。

〔プロジェクタ装置の主要な構成要素〕
図１（Ａ）、（Ｂ）において、プロジェクタ装置１００は、図解の中央部分にクロスプリズム１０を有し、その前方に投射レンズ１６を有する。プロジェクタ装置１００は、クロスプリズム１０の両側と、クロスプリズム１０を挟んで投射レンズ１６と対向する側との合計３方向に下記の光学系を有する。図１（Ａ）、（Ｂ）において、クロスプリズム１０の左側に、第１光学系として、第１液晶反射パネル１と、偏光光を分離する手段として第１偏光ビームフィルタ（第１ＰＢＦ）６１と、第１直線偏光板１１と、第１の１／２波長板２１とを有する。図１（Ａ）、（Ｂ）において、クロスプリズム１０を挟んで投射レンズ１６と対向する側に、第２光学系として、第２液晶反射パネル２と、第２偏光ビームフィルタ（第２ＰＢＦ）６２と、第２直線偏光板１２とを有する。図１（Ａ）、（Ｂ）において、クロスプリズム１０の右側に、第３光学系として、第３液晶反射パネル３と、第３偏光ビームフィルタ（第３ＰＢＦ）６３と、第３直線偏光板１３と、第３の１／２波長板２３とを有する。

なお第２光学系には、第１および第３の１／２波長板２１、２３に該当する第２の波長板が設けられていない。その理由について述べる。クロスプリズム１０内において３原色光を合成させるとき、３原色光のうちの２原色光について、図４に図解した例示においては、第１光学系からクロスプリズム１０内の反射面１０ａに入射する青色変調光７１ｍおよび第３光学系からクロスプリズム１０内の反射面１０ｂに入射する赤色変調光７３ｍについて、クロスプリズム１０内の反射面１０ａ、１０ｂで反射されることにより９０度光路が変わる。他方、第２光学系からクロスプリズム１０に入射する光はクロスプリズム１０内で反射されずに透過する。

クロスプリズム１０において、ダイクロイックコーティング膜等により形成された反射面１０ａ、１０ｂの特性として、Ｓ偏光は反射に適しており、Ｐ偏光は透過に適している。したがって、本実施の形態においては、例示のような偏光状態を選択している。このように偏光状態を調整するため、第１光学系および第３光学系には１／２波長板２１、２３を設けており、第２の光学系については１／２波長板を設ける必要がない。なお、３原色光のうちの２原色光をどう選択するかについては、適宜選択することができる。

クロスプリズム１０と投射レンズ１６とはほぼ同一面に配設されている。クロスプリズム１０を挟んで、第１光学系の第１ＰＢＦ６１と第１直線偏光板１１と第１の１／２波長板２１と、第２光学系の第２ＰＢＦ６２と第２直線偏光板１２と、第２光学系の第３ＰＢＦ６３と第３直線偏光板１３と第３の１／２波長板２３とがほぼ同一面に配設されている。このように、プロジェクタ装置１００を構成する光学系は、クロスプリズム１０を挟んで、ほぼ同一面に配設（配置）されている。

本発明の実施の形態のプロジェクタ装置１００は上述した光学系の構成要素（光学部品）に加えて、３原色光、すなわち、青色（Ｂ）光、緑色（Ｇ）光、赤色（Ｒ）光を出力する３種の光源５１〜５３を有するがその詳細は後述する。

本発明の画像投射装置の画像表示部としての３個の液晶反射パネル１〜３は、３原色光、すなわち、青色（Ｂ）光、緑色（Ｇ）光、赤色（Ｒ）光のうちの１色光を画像変調させる働きをする。これら液晶反射パネル１〜３の構成自体は、第２光学系において１／２波長板が設けられてないことを除いて、ほぼ同じであり、これらのいずれかが、青色（Ｂ）光、緑色（Ｇ）光、赤色（Ｒ）光のうちのいずれを画像変調させるかは、任意に決定できる。すなわち、第１液晶反射パネル１、第２液晶反射パネル２、第３液晶反射パネル３をどの原色光を変調させるかは、任意に設計できる。本実施の形態においては、例示として、第１液晶反射パネル１が青色光を画像変調させる青色用液晶反射パネルとして機能させ、第２液晶反射パネル２が緑色光を画像変調させる緑色用液晶反射パネルとして機能させ、第３液晶反射パネル３が赤色光を画像変調させる赤色用液晶反射パネルとして機能させる場合について述べる。もちろん、そのためには、図示しない画像信号処理装置から、青色用液晶反射パネル１に青色を変調させる画像信号、緑色用液晶反射パネル２に緑色を変調させる画像信号および赤色用液晶反射パネル３に赤色を変調させる画像信号を画像表示内容に応じて出力する。ただし、画像信号処理装置の詳細な記述は割愛する。

〔光源〕
プロジェクタ装置１００は、青色用液晶反射パネル１の面に直交して青色光７１を照射する青色照明光源５１、緑色用液晶反射パネル２の面に直交して緑色光７２を照射する緑色照明光源５２、赤色用液晶反射パネル３の面に直交して赤色光７３を照射する赤色照明光源５３を有する。これら青色照明光源５１、緑色照明光源５２、赤色照明光源５３の構成および配置は種々の形態をとることができるが、本実施の形態においては、図２に例示した構成のものを用いることができる。ただし、本発明の画像投射装置において、光源は必須の要件ではなく、図２に図解したもの以外にも種々の他の形態をとることができる。したがって、図２に図解した光源は単なる例示である。

図２に図解した光源５００は、白色光を出力するランプ５０１と、フライアイ（蠅の目）・インテグレーター５０２，５０３と、Ｐ偏光とＳ偏光の光を所定の偏光成分の光に変換して出力するＰＳ変換素子５０４と、赤色反射ダイクロイックミラー５０６と、緑青反射ダイクロイックミラー５０７と、全反射ミラー５０８、５０９、５１２、５１１、５１３と、コンデンサレンズ５１５、５１６とを有する。

ランプ５０１から発せられた白色光は、フライアイ・インテグレーター５０２，５０３により均一化された照明光となり、ＰＳ変換素子５０４により偏光方向が揃えられる。こうしてＰＳ変換素子５０４において偏光方向が揃って均一化された照明光である白色光５２０は、メインコンデンサーレンズ５０５により液晶反射パネル１〜３に向かって集光される。白色光５２０は、赤色反射ダイクロイックミラー５０６、緑青反射ダイクロイックミラー５０７により分離されて、青色、緑色、赤色が分離される。赤色反射ダイクロイックミラー５０６によって反射された赤色反射光５２１は、全反射ミラー５０９で向きを変えられ（偏向され）、コンデンサレンズ５１６により集光され、全反射ミラー５１３でこの光源５００の上方に位置する赤色用液晶反射パネル３の方向に向かって反射されて、赤色光７３となる。緑青反射ダイクロイックミラー５０７により反射された緑色および青色のスペクトルを持つ反射光５２２は全反射ミラー５０８により向きを変えられ（偏向され）、緑色反射ダイクロイックミラー５１０に至る。この緑色反射ダイクロイックミラー５１０により、全反射ミラー５１１方向に緑色光は反射されて向きを変えられ（偏向され）、全反射ミラー５１１により光源５００の上方向へ向きを変えられ、コンデンサレンズ５１４により、プロジェクタ装置１００の緑色用液晶反射パネル２に向かって集光されて、緑色光７２となる。全反射ミラー５０８で反射された光がコンデンサレンズ５１５で集光されて、全反射ミラー５１２でプロジェクタ装置１００の青色用液晶反射パネル１に向かって集光されて、青色光７１となる。

本明細書および図面においては便宜的に、図２に図解した光源５００のうち、青色光７１を出力する部分を青色照明光源５１と呼び、緑色光７２を出力する部分を緑色照明光源５２と呼び、赤色光７３を出力する部分を赤色照明光源５３と呼び、図１（Ａ）、（Ｂ）においては破線で図解している。

図３は代表して、第１液晶反射パネル１と、青色照明光源５１と、これらの間に配設された第１ＰＢＦ６１との位置関係を拡大して図解した断面図である。図３に図解したように、図解のプロジェクタ装置１００は、青色照明光源５１と青色用液晶反射パネル１との間に、青色用液晶反射パネル１の面に４５度傾斜した状態で配置されている第１偏光ビームフィルタ（第１ＰＢＦ）６１を有する。第１ＰＢＦ６１は、青色照明光源５１から出力されて青色用液晶反射パネル１に面にほぼ直交して入射する青色光７１に対してもほぼ４５度傾斜した状態で配置されている。

同様に、プロジェクタ装置１００は、緑色照明光源５２と緑色用液晶反射パネル２との間に、緑色用液晶反射パネル２の面に４５度傾斜した状態で配置されている第２偏光ビームフィルタ（第２ＰＢＦ）６２を有する。第２ＰＢＦ６２は、緑色照明光源５２から出力されて緑色用液晶反射パネル２の面にほぼ直交して入射する緑色光７２に対してもほぼ４５度傾斜した状態で配置されている。また同様に、プロジェクタ装置１００は、赤色照明光源５３と赤色用液晶反射パネル３との間に、赤色用液晶反射パネル３の面に４５度傾斜した状態で配置されている第３偏光ビームフィルタ（第３ＰＢＦ）６３を有する。第２ＰＢＦ６２は、緑色照明光源５２から出力されて緑色用液晶反射パネル２の面にほぼ直交して入射する緑色光７２に対してもほぼ４５度傾斜した状態で配置されている。

〔青色の光線軌跡〕
図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して、青色用液晶反射パネル１と青色照明光源５１と第１偏光ビームフィルタ（第１ＰＢＦ）６１との関係の詳細を述べる。青色照明光源５１は第１ＰＢＦ６１を通して、青色用液晶反射パネル１の面に直交する青色光７１を照射する。本実施の形態において、青色照明光源５１は青色用液晶反射パネル１の下部から青色用液晶反射パネル１に向かって青色光７１を照射する。青色照明光源５１から出力された青色光７１は、紙面に平行なＰ偏光軸を持つ第１ＰＢＦ６１を通過して青色用液晶反射パネル１に入射する。
図３（Ａ）に図解したように、青色光７１が青色用液晶反射パネル１において変調を受けない場合は、Ｐ偏光軸を持つ青色光７１は青色用液晶反射パネル１で反射されて、そのまま第１ＰＢＦ６１に再度入射されて、青色照明光源５１に戻る。
図３（Ｂ）に図解したように、他方、青色光７１が青色用液晶反射パネル１において反射のときに変調を受けると、紙面に平行なＰ偏光軸を持つ青色光７１は紙面に垂直なＳ偏光軸を持つ青色変調光７１ｍとなって第１ＰＢＦ６１に入射し、第１ＰＢＦ６１でクロスプリズム１０側に反射されて、第１直線偏光板１１、第１の１／２波長板２１を透過してクロスプリズム１０に向かう。そして、ガラス等の透明な板状部材からなる第１ＰＢＦ６１の反射面が青色用液晶反射パネル１側に形成され、その反射光を投射レンズ１６により投影するように構成されているので、斜めに配置された板状の部材を光が通過するときに発生する収差を回避でき、良好な投射像を得ることができる。

青色照明光源５１は、第１ＰＢＦ６１に対してＰ偏光になるように、図解の偏光軸（図面と平行な軸）を持つような青色光７１を出力するように、事前に偏光軸の調整が行われている。第１ＰＢＦ６１の向きは、当該第１ＰＢＦ６１に対するＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する向きに設定されている。したがって、図解の偏光軸を持つ青色照明光源５１から出射された青色光７１は第１ＰＢＦ６１を透過して青色用液晶反射パネル１に入射する。

青色用液晶反射パネル１、緑色用液晶反射パネル２および赤色用液晶反射パネル３は、０％黒色を表示している場合は入射された光の偏光面を回転させず、それぞれ１００％の青、赤、緑を表示している場合は、これら各色用液晶反射パネル１〜３が入射された光の偏光面をほぼ９０度回転させるように偏光面を変調するよう設定されている。各色用液晶液晶反射パネル１〜３にどの色を表示させるための変調作業を行わせるかは、たとえば、画像信号処理装置（図示せず）から、これら各色用液晶反射パネル１〜３に入力された画像信号に依存する。

図３（Ａ）に図解したように、青色用液晶反射パネル１が０％黒表示の場合は、青色光７１は第１ＰＢＦ６１を透過して青色用液晶反射パネル１に入射するが、そのまま青色用液晶反射パネル１で反射され、再び第１ＰＢＦ６１を透過して青色照明光源５１側に戻る。

図３（Ｂ）に図解したように、青色用液晶反射パネル１が１００％青表示の場合は、青色光７１は第１ＰＢＦ６１を透過して青色用液晶反射パネル１に入射し、青色用液晶反射パネル１で反射される際に青色用液晶反射パネル１により偏光軸が９０度回転させられるため、Ｐ偏光軸を持つ青色変調光７１ｍとなり、その時の青色変調光７１ｍの偏光軸は紙面に直交するＳ軸となり、第１ＰＢＦ６１に対してＳ偏光となり、第１ＰＢＦ６１において反射され、第１直線偏光板１１を通り、第１の１／２波長板２１を経由してクロスプリズム１０の方向へ進行する。青色変調光７１ｍは、このように、クロスプリズム１０に入射する前に、第１ＰＢＦ６１とプリズム１０との間に配置された、第１直線偏光板１１と、第１の１／２波長板２１を通過する。第１直線偏光板１１はその偏光透過軸が、第１ＰＢＦ６１に対するＳ偏光とほぼ同じ向きに設定されており、青色変調光７１ｍはそのまま第１直線偏光板１１を透過できる。第１の１／２波長板２１はその偏光軸に対し、４５度の角度をなすように軸が設定されており、第１の１／２波長板２１を通過した青色変調光７１ｍの偏光軸はクロスプリズム１０の反射面に対しＳ偏光となる向きとなる。

図４に図解したように、クロスプリズム１０の反射面１０ａは青色を反射する被覆（コート）が形成（被膜）されており、反射面１０ａで青色変調光７１ｍは反射されて、投射レンズ１６の方に向かい、投射レンズ１６により投射レンズ１６の前方に位置するスクリーン（図示せず）に投影（投射）される。

〔赤色の光線軌跡〕
次に赤色の光線軌跡（パス）について述べる。赤色の光線軌跡も基本的には、上記青色の光線軌跡と同じである。赤色用液晶反射パネル３および第２偏光ビームフィルタ（第２ＰＢＦ）６２の下部に位置する赤色照明光源５３から出力された赤色光７３は、第３ＰＢＦ６３を通り、赤色用液晶反射パネル３に入射する。赤色光７３は第３ＰＢＦ６３に対してＰ偏光になるような偏光軸を持つよう、事前に偏光軸の調整が行われている。第３ＰＢＦ６３の向きは当該第３ＰＢＦ６３に対するＰ偏光軸を透過し、Ｓ偏光を反射する向きに設定されているため、上記偏光軸を持つ赤色光７３は透過させ、赤色用液晶反射パネル３に入射させる。

赤色用液晶反射パネル３が０％黒表示の場合は、第３ＰＢＦ６３を透過し赤色用液晶反射パネル３に入射した赤色光７３は、そのまま赤色用液晶反射パネル３でパネルで反射され、Ｐ偏光軸を保ったまま、再び第３ＰＢＦ６３を透過して赤色照明光源５３側に向けて戻る。

赤色用液晶反射パネル３が１００％赤表示の場合は、第３ＰＢＦ６３を透過し、赤色用液晶反射パネル３に入射した赤色光７３は赤色用液晶反射パネル３で反射される際に、偏光軸が９０度回転させられてＳ偏光軸を持つ赤色変調光７３ｍとなる。この赤色変調光７３ｍはＳ偏光となる偏光軸を持ち、第３ＰＢＦ６３に対してＳ偏光となるため、第３ＰＢＦ６３で反射されて、第３直線偏光板１３および第３の１／２波長板２３を経由してクロスプリズム１０の方向へ進行する。このように、赤色変調光７３ｍは、クロスプリズム１０に入射する前に、第３ＰＢＦ６３とクロスプリズム１０との間に配置された、第３直線偏光板１３と第３の１／２波長板２３を通過する。第３直線偏光板１３はその偏光透過軸が、第３ＰＢＦ６３に対するＳ偏光と概略同じ向きに設定されており、赤色変調光７３ｍはそのまま透過できる。第３の１／２波長板２３は、その偏光軸に対し４５度の角度をなすように軸が設定されており、これを通過した赤色変調光７３ｍの偏光軸は、クロスプリズム１０の反射面に対しＳ偏光となる向きとなる。またプリズム１０の反射面１０ｂは赤色を反射する被覆（コート）が形成されており、反射面１０ｂで赤色変調光７３ｍが反射されて、投射レンズ１６の方に向かい、当該投射レンズ１６によりスクリーンに投影（投射）される。

〔緑色の光線軌跡〕
緑色の光線軌跡（パス）について述べる。緑色の光線軌跡も基本的には、上記青色の光線軌跡と同じである。緑色用液晶反射パネル２および第２偏光ビームフィルタ（第２ＰＢＦ）６２に下部に位置する緑色照明光源５２から出力された緑色光７２は第２ＰＢＦ６２を透過して緑色用液晶反射パネル２に入射する。緑色照明光源５２から出力される緑色光７２は、第２ＰＢＦ６２に対してＰ偏光になるような偏光軸を持つよう、事前に偏光軸の調整が行われている。第２ＰＢＦ６２の向きは、当該第２ＰＢＦ６２に対するＰ偏光軸を透過し、Ｓ偏光軸を反射する向きに設定されているため、第２ＰＢＦ６２はＳ偏光の偏光軸を持つ緑色光７２を透過し、緑色用液晶反射パネル２に入射させる。

緑色用液晶反射パネル２が０％黒表示の場合は、緑色光７２はそのまま緑色用液晶反射パネル２で反射され、Ｐ偏光軸を保ったまま、第２ＰＢＦ６２を透過し、緑色照明光源５２側に向けて戻る。

緑色用液晶反射パネル２が１００％緑表示の場合は、第２ＰＢＦ６２を透過して緑色光７２は緑色用液晶反射パネル２で反射される際に偏光軸が９０度回転させられるため、Ｓ偏光の偏光軸を持つ緑色変調光７２ｍとなる。緑色変調光７２ｍはＳ偏光の偏光軸を持ち、第２ＰＢＦ６２に対してＳ偏光となるため、第２ＰＢＦ６２で反射されてクロスプリズム１０の方向へ進行する。緑色変調光７２ｍはクロスプリズム１０に入射する前に、第２ＰＢＦ６２とクロスプリズム１０との間に配置された第２直線偏光板１２を通過する。第２直線偏光板１２はその偏光透過軸が、第２ＰＢＦ６２に対するＳ偏光とほぼ同じ向きに設定されており、緑色変調光７２ｍはそのまま第２直線偏光板１２を透過できる。

なお上述したように、第２光学系には、第１および第３の波長板に該当する第２の波長板は設けられていない。クロスプリズム１０の反射面１０ａ、１０ｂは、それぞれ青色、赤色を反射する被覆（コート）が形成されているが、反射面１０ａ、１０ｂは緑色は通過するから、プリズム１０に入射した緑色変調光７２ｍは透過されて、投射レンズ１６の方向に向かい、当該投射レンズ１６によりスクリーンに投影（投射）される。

〔評価〕
図５（Ａ）はプロジェクタ装置１００に使用した第１ＰＢＦ６１〜第３ＰＢＦ６３（以下、偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ））の波長λと透過率μとの関係を、たとえば、青色光７１の青色用液晶反射パネル１への入射角度４５°、５５°について図解したグラフである。図５（Ｂ）は図７に図解したプロジェクタ装置に使用した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の波長λと透過率μとの関係を、たとえば、青色光の青色用液晶反射パネルへの入射角度４５°、５５°について図解したグラフである。

（１）偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）とを比較すると、ＰＢＦはＰＢＳに比較して波長依存性が非常に低い。すなわち、ＰＢＦを用いると、波長の異なる青色、緑色、赤色のいずれも同じ程度の透過率であるから、３原色の種類に依存した波長差に起因する透過率の変化が少ない。その結果、たとえば、プリズム１０に到達する各色のレベルは同じ条件となる。このように、本発明の実施の形態によれば、輝度の低下が少なく、コントラストの低下が少ない。換言すれば、ＰＢＳを用いたプロジェクタ装置に比較して、ＰＢＦを用いた本発明の実施の形態としてのプロジェクタ装置１００のＦナンバーは小さくなり、その結果、輝度は高くなり、コントラストも高くなる。

（２）ＰＢＦはＰＢＳより入射角度依存性が低い。したがって、ＰＢＦを用いた本発明の実施の形態のプロジェクタ装置１００は液晶反射パネル１〜３への入射光に多少の傾きがあっても透過率の低下は少ない（透過率の変動が少ない）。その結果、たとえば、青色照明光源５１と青色用液晶反射パネル１と第１偏光ビームフィルタ（第１ＰＢＦ）６１との配置に余裕が出る。すなわち、青色照明光源５１、第１ＰＢＦ６１、青色用液晶反射パネル１の光学的配置が多少ずれても、輝度の低下、コントラストの低下は少ない。その結果、光学系を組み立てた後などに光学部品の位置の微調整が不要となる。

図６は図７に図解したプロジェクタ装置における、コンデンサレンズ２２０、第３ＰＢＳ２２３、１／４波長板２２１、緑色用液晶反射パネル２２２の部分の青色についての光線軌跡の一部を図解した図である。プロジェクタ装置１００においては、図３（Ｂ）に図解したように、たとえば、青色光７１が変調を受けるとき、青色光７１は第１ＰＢＦ６１を通過して、青色用液晶反射パネル１に入射し、青色用液晶反射パネル１で変調されたとき第１ＰＢＦ６１で反射されて、クロスプリズム１０に向かう。したがって、第１ＰＢＦ６１は一度しか通過しない。他方、図６に図解したように、ＰＢＳを用いると、青色光がコンデンサレンズ２２０を経由して第３ＰＢＳ２２３に一旦入射され、１／４波長板２２１を透過して緑色用液晶反射パネル２２２で変調を受けると、変調された青色は再び第３ＰＢＳ２２３に入射し、第３ＰＢＳ２２３を透過してクロスプリズム２２４に向かう。すなわち、第３ＰＢＳ２２３を２回透過し、ＰＢＳを用いた場合に比較して１回、第３ＰＢＳ２２３を透過する回数が多い。仮に、第１ＰＢＦ６１と第３ＰＢＳ２２３との透過率が同じだとすると、図６に図解した場合、第３ＰＢＳ２２３を１回多く透過する分、光の低下が起こる。それが、輝度の低下、コントラストの低下をもたらす。これに対して、ＰＢＦを用いたプロジェクタ装置１００においては、光の低下が少ないので輝度の低下は減少し、コントラストの低下も少ない。

図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したプロジェクタ装置１００の構成または構造を考察すると、図４に概略的に図解したように、クロスプリズム１０の周囲に、３原色用の３個の光学系が整然と配置されている。平面的に考察すると、たとえば、クロスプリズム１０の左側には、青色用の第１光学系（青色用液晶反射パネル１、第２ＰＢＦ６２、第１直線偏光板１１、第１の１／２波長板２１）が配置され、クロスプリズム１０の右側には赤色用の第２の光学系（赤色用液晶反射パネル３、第３ＰＢＦ６３、第３直線偏光板１３、第３の１／２波長板２３）が配置され、クロスプリズム１０を挟んで投射レンズ１６と対向する側には、緑色用の第３の光学系（緑色用液晶反射パネル２、第２ＰＢＦ６２、第２直線偏光板１２）が配置されており、これら３個の光学系がクロスプリズム１０の３方向に整然と配置されている。立体的に考察すると、クロスプリズム１０の面に上記３個の光学系が同じ平面位置に配置されているからプロジェクタ装置１００の高さ方向の寸法を小さくできる。このような配置において、青色光７１、緑色光７２、赤色光７３を仕分けるための付属的な光学系、たとえば、全反射ミラーなどが一切不要である。以上を考察すると、プロジェクタ装置１００は配置設計が容易であり、構成要素の収容効率も高いから、コンパクトに収容でき、小型、軽量化を図ることができる。

配置設計の容易性や収容効率の観点では、偏光光を分離する偏光分離手段はＰＢＦに限らず本発明に広く適用できるが、偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に比較して、小型であり、軽量である。その結果、プロジェクタ装置１００はさらに小型化、軽量化を図ることができる。

プロジェクタ装置において、光源のランプ部分と、液晶パネル部分は電力消費が高く、高温になるから、冷却が要求される。図１および図２に図解したプロジェクタ装置１００においては、青色用液晶反射パネル１、緑色用液晶反射パネル２、赤色用液晶反射パネル３は画像信号が印加され、液晶パネルを駆動するから、プロジェクタ装置１００の中での電力消費が多く、高温になり、冷却が必要になる。当然、光源５００のランプ５０１部分も電力消費が多く、高温になり、冷却が必要になる。青色用液晶反射パネル１、緑色用液晶反射パネル２および赤色用液晶反射パネル３の冷却は、これらが同じ高さに配置されているから、たとえば、冷却手段および冷却方法の一例として、これら液晶反射パネル１〜３の面（背面に放熱フィンを設けてもよい）に沿って、冷却ファンから水平方向に冷却用風を流すなど冷却対策が容易であり、冷却効果も高い。

図１（Ａ）、（Ｂ）に図解した例示においては、青色照明光源５１、緑色照明光源５２および赤色照明光源５３は全て、たとえば、図２に例示した１個の光源５００で構成でき、青色照明光源５１、緑色照明光源５２および赤色照明光源５３、すなわち、光源５００は、プリズム１０および上記３個の光学系の下部に位置する。このように、光源５００と光学系を立体的に分離できるから、冷却対策も別個に行うことができる。

光源５００のランプ５０１の放熱量と、液晶反射パネル１〜３の放熱量とは大きく異なり、ランプ５０１の放熱量が圧倒的に多い。上述したように、光源５００と、液晶反射パネル１〜３を含む上記光学系は分離して配置できるから、液晶反射パネル１〜３などが光源５００のランプ５０１の熱の影響を受けないようにすることができる。したがって、液晶反射パネル１〜３の冷却対策は自己の冷却対策のみ講ずればよく、無用な冷却対策を講ずる必要はない。その観点からも、冷却用ファンは小型でよく、プロジェクタ装置１００を一層小型、軽量にできる。冷却用ファンの騒音も低い。

光源５００、とりわけ、ランプ５０１を、図１（Ａ）、（Ｂ）に図解した構成要素を収容してプロジェクタ装置１００の筐体の外部に配置し、ランプ５０１からの白色光５２０のみを導入するように構成すれば、冷却対策は非常に簡単になる。

液晶反射パネル１〜３の配線接続部（多数のケーブルが接続されるように図解されている部分）は、それぞれ、別個の方向を向いている。しかも、液晶反射パネル１〜３は上部に位置しているから、これらの配線接続部への配線は容易である。液晶反射パネル１〜３へのケーブル本数はかなりの数になるから、実装面が大きな効果を奏する。このように、プロジェクタ装置１００は、配線周り（布線）の容易さ、配線のためのスペースが少なくてすみ、コンパクトに配線できるという効果も得られる。

図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したように、投射レンズ１６の周囲に構成要素が配置されないため、投射レンズ１６の配置の柔軟性が高く投射レンズ１６の上下及び／又は左右方向のシフト機構等も実装しやすい。クロスプリズム１０の出射側の面に略平行に投射レンズ１６を移動させることにより、投影される画像の位置を可変する機能を容易に実現できる。

図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したように、液晶反射パネル１〜３、緑色用液晶反射パネル２、赤色用液晶反射パネル３は下向きに配置されている。したがって、プロジェクタ装置１００の筐体内を浮遊するゴミなどが液晶反射パネル１〜３のパネル面につきにくく、ゴミの付着による偏光光のレベル低下は少なく、表示画質の低下が少ない。

クロスプリズム１０の周りに液晶反射パネル１〜３を含めた結像光学系がコンパクトに配置されており、機構構造的な剛性を向上しやすい。そのため、３枚の液晶反射パネル１〜３間の画素位置ずれ等が発生しにくく、高い画質の画像が得られる。

本発明の画像投射装置の実施に際しては上述した例示に限定されず、上述した実施の形態と同等または類似する種々の変形態様をとることができる。

たとえば、図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したプロジェクタ装置１００の向きは、光源５００（青色照明光源５１、緑色照明光源５２、赤色照明光源５３）を上にして、クロスプリズム１０などをした上下逆に配置することもできるし、光源５００とクロスプリズム１０などを同じ平面に横並びに配置することもできる。また、各色に対応した光源を個別に設けるようにしてもよい。

図１（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施の形態としての画像投射装置の斜視図である。 図２は図１（Ａ）、（Ｂ）に図解した画像投射装置における光源の１例を図解した図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は図１（Ａ）、（Ｂ）に図解した画像投射装置の部分構成および光線軌跡を図解した図である。 図４は図１（Ａ）、（Ｂ）に図解したクロスプリズムの周辺の光線軌跡を図解した図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）との特性を示すグラフである。 図６は図７に図解したプロジェクタ装置における青色についての光線軌跡の一部を図解した図である。 図７は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた反射型プロジェクタ装置の光学系を図解した図である。

符号の説明

１００・・反射型プロジェクタ装置１
１・・青色用液晶反射パネル（第１反射パネル）
２・・緑色用液晶反射パネル（第２反射パネル）
３・・赤色用液晶反射パネル（第３反射パネル）
１０・・クロスプリズム
１１〜１３・・直線偏光板、２１、２３・・１／２波長板
５１・・青色照明光源、５２・・緑色照明光源、５３・・赤色照明光源
６１〜６３・・偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）
７１・・青色光、７１ｍ・・青色変調光
７２・・緑色光、７２ｍ・・緑色変調光
７３・・赤色光、７３ｍ・・赤色変調光
５００・・光源、５０１・・ランプ、５０２、５０３・・フライアイ・インテグレーター、５０４・・ＰＳ変換素子、５０５・・メインコンデンサーレンズ、５０６・・赤色反射ダイクロイックミラー、５０７・・緑青反射ダイクロイックミラー、５０８、５０９・・全反射ミラー、５１０・・緑色反射ダイクロイックミラー、５１１、５１２、５１３・・全反射ミラー、５１５、５１６・・コンデンサレンズ

Claims (12)

1. ３つの入射面から入射された赤、緑、青の３原色光を合成して出射面から出射させるクロスプリズムと、
   当該クロスプリズムの上記出射面からの光を入射可能に配置され、前記クロスプリズムで合成した光をスクリーンに投射する投射レンズと、
   上記クロスプリズムおよび上記投射レンズが配置された面の下部の位置から、上記赤、緑、青の３原色光をそれぞれ照明光として照射する、個別に設けられた３個の光源と、
   上記クロスプリズムの上記３つの入射面に対応した位置に配設され、画像表示信号に応じて、上記３個の光源から照射された上記赤、緑、青の３原色光を変調して画像を表示する３個の反射型の画像表示部と、
   波長依存性が低く、第１の偏光光を透過させ、上記第１偏光光と直交する偏光軸を持つ第２偏光光を反射する３個の偏光ビームフィルタであってそれぞれ、垂直方向において上記光源と上記反射型の画像表示部との間に配設され、水平方向において上記クロスプリズムの対応する入射面と対向し、かつ、垂直方向に対して４５度の角度をなす向きに配置され、上記光源から照射された対応する原色光を透過させて上記対応する画像表示部に導き、上記画像表示部において上記画像表示信号に応じて変調された３原色変調画像光が当該偏光ビームフィルタで反射され、上記クロスプリズムの上記対応する入射面に入射するように配置され、第１の偏光光を透過させ、上記第１偏光光と直交する偏光軸を持つ上記第２偏光光を反射する、３個の偏光ビームフィルタと、
   を備え、
   上記クロスプリズムの４つの接合面に垂直な平面に平行になり、かつ、上記クロスプリズムの上記３つの入射面と直交するように、上記画像表示部の表示平面を配置した、
   ことを特徴とする画像投射装置。
2. 上記偏光ビームフィルタに入射する原色照明光は、その偏光面が当該偏光ビームフィルタに対してＰ偏光の向きになるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
3. 上記偏光ビームフィルタは、当該偏光ビームフィルタに対する上記第２偏光光としてのＳ偏光は反射し、上記第１偏光光としてのＰ偏光を透過するようにその向きを配置して構成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
4. 上記偏光ビームフィルタは、透明な板状部材からなり、上記第１偏光光を透過させ上記第２偏光光を反射する偏光分離面が、上記板状部材の上記画像表示部側の面に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
5. 上記画像表示部が０％黒色を表示している場合は、上記画像表示部は上記入射された原色光を変調せず、
   上記画像表示部が１００％の対応する原色光を表示している場合は、上記画像表示部は上記入射された原色光を、その偏光面がほぼ９０度回転するように変調する、
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
6. 上記クロスプリズムと上記偏光ビームフィルタとの間に、上記クロスプリズムの反射面において光を反射させることで原色合成させる３原色光のうちの２原色光について、上記クロスプリズムの反射面に対しＳ偏光となるように光を入射させる１／２波長板を配置した、
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
7. 上記１／２波長板と上記偏光ビームフィルタの間に、上記１／２波長板と平行になるように直線偏光手段を配置し、当該直線偏光手段の透過軸を上記クロスプリズムの反射面に対しＰ偏光となる向きに構成した、
   ことを特徴とする請求項６記載の画像投射装置。
8. 上記クロスプリズムの反射面に対して、光を透過させることで合成させる１原色光について、上記クロスプリズムの当該原色光の入射面に平行になるように直線偏光手段を配置し、当該直線偏光手段の透過軸を上記クロスプリズムの反射面に対しＰ偏光となる向きに構成した、
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
9. 当該画像投射装置は、上記３個の光源を冷却する第１冷却手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像投射装置。
10. 当該画像投射装置は、３個の反射型の画像表示部を冷却する第２冷却手段を有する、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の画像投射装置。
11. 上記投射レンズは、上記クロスプリズムの上記他の側面に平行に上下及び／又は左右に移動可能に構成されている、
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の画像投射装置。
12. 上記各画像表示部は反射面が下向きに配置されている、
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の画像投射装置。

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