JP3753033B2 - Reflective projector optical system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型ライトバルブを用いた3板式の投射型プロジェクタに関し、特に、色光を分離合成するためにフィリップス類似のプリズムを用いる反射型投影プロジェクタ光学系のコントラスト改善に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
カラー画像表示用の液晶プロジェクタとしては、R(赤)、G(緑)、B(青)の3原色光を、対応する3枚の液晶パネルに照射してR、G、Bの各画像情報を担持させ、これらの色光を合成してスクリーン上に投影するものが広く知られている。
【0003】
ところで近年、液晶パネルとしては、透過型のものよりも、開口率を増大させることができ、高解像度化、高照度化の要求を満足することのできる反射型のものが知られるようになってきている。また、このような利点を有する反射型液晶ライトバルブを用い、さらに小型、軽量、安価で、ユーザによるコンバーゼンス調整を排除し得る液晶プロジェクタとして、特開平10−48762号公報に開示された反射型液晶投影光学系を用いたものが知られている。
【0004】
上記の公報に記載のものでは、まずR、G、Bの各色の光成分に分離し、分離後に、各色の光に対応して設けられた3つの偏光ビームスプリッタで光を反射型液晶ライトバルブに照射させるようにしている。この構成では、偏光ビームスプリッタが単色のものでよく、反射/透過の分離性能が良好になるという長所を有する。しかし、各色に対応する数の偏光ビームスプリッタを必要とするため、装置が大型化し、構成が複雑になるという問題を有する。投射型表示装置においては、小型化およびコンパクト化の要請が大きく、上述した従来技術の問題解決が急務であった。
【0005】
このような問題を解決するために、図11に示す特許第2505758号公報に開示される技術が有効である。図11に示す従来技術では、いわゆるフィリップス型プリズム111を用い、各プリズム111A〜111Cの光射出端面111b〜111dに対向させて、反射型液晶ライトバルブ112〜114を配設している。液晶ライトバルブ112〜114のプリズム側とは反対側の面に、反射ミラー115〜117が位置する。この構成では、単一の偏光ビームスプリッタ121を用い、全色光に対して、光源123からの光入射の方向とスクリーン125への光出射の方向を分離することができる。結果として装置のコンパクト化および構成の簡易化が図られる。なお、各色光の反射型液晶ライトバルブ112〜114に対応して液晶駆動部118〜120が設けられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図11に示す従来技術においては、フィリップス型プリズム111のうち、第1プリズム111Aと第2プリズム111Bの間にエアギャップ111eが設けられており、さらに、偏光ビームスプリッタ121と第1プリズム111Aの間にもエアギャップが存在する。第2プリズム111Bを進む光束はエアギャップ111eの隣接面において全反射し、一方、第1プリズム111Aを進む光束は、この第1プリズム111Aのスプリッタ121側の面において全反射するようになっている。したがって、直線偏光となるように設定された光は、これらの全反射面で反射される際に、その振動面が回転してしまう(楕円偏光化する)。
【0007】
液晶プロジェクタは直線偏光の出力を制御して光のオン(白)/オフ(黒)を行うので、照明光および画像光の直線偏光性の維持は極めて重要である。図11に示す従来技術では、プリズム内部で直線偏光性が失われやすいにもかかわらず、楕円偏光補正のための検光子等を光路中に挿入できない構造となっているため、特にオフにしたときに漏れ出してしまう光の成分が非常に多くなる。結果として、コントラストの低下を生じるという問題があった。
【0008】
また、所定間隔に設定されたエアギャップ111eを介してプリズム111を組み立てることは、製造工程が煩雑となり製造コストの上昇を抑制することが困難であった。
【0009】
本発明者らは上記事情に鑑み、特願2000−177694(反射型投影プロジェクタ用プリズム光学系)において、新規なプリズム光学系を提案した。このプリズム光学系は、組立コストが低廉であるとともに、反射型ライトバルブを用いた投影光学系において、色分解合成プリズムに導かれた偏光が、このプリズムを通過する間にその振動面が回転するのを抑制し、コントラストの低下を防止したものである。
【0010】
一方、別のアプローチからコントラストを改善する手法も提案されている。
【0011】
第1のアプローチは、図12(a)に示す特許第2006746号(あるいはUSP5327270号)に開示される方法である。この方法では、素子136と偏光ビームスプリッタ132との間に、1/4波長板135を挿入して、回転した偏光を補正する。
【0012】
第2のアプローチは、図12(b)に示すUSP5986815号に開示される方法である。すなわち、フィリップス型プリズムに対して、コントラスト改善のために、素子とプリズムの間に波長板を挿入したものである。挿入した波長板のリターダンスを1/4波長から変化させることによって偏光回転を補正し、フィリップスプリズムの色分離手段によって引き起こされる色光の偏光の乱れ(偏光された色光が色分離手段によって楕円偏光となること)を実質的に解消することを意図している。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した特願2000−177694号で提案した反射型投影プロジェクタ用プリズムを改良したものであり、コントラストをさらに向上させ、図12(a)、(b)に示した従来のアプローチ方法に比較して、顕著なコントラスト改善効果を発揮するものである。
【0014】
コントラスト改善をさらに向上するために、G、R、Bに対応する各プリズムの出射面に対向して位置する反射型ライトバルブと、各プリズムのライトバルブ対向面との間にそれぞれ波長板ユニットを挿入し、波長板ユニットの少なくともひとつを、2枚の波長板で構成する。
【0016】
上述の課題を解決するために、請求項1記載の発明は、(緑),B(青)の3原色光に対応して設けた合計で3枚の反射型ライトバルブと、
複数のプリズムがそれぞれ所定の色光用のダイクロイック膜を介して接合され、且つ、前記3枚の反射型ライトバルブとそれぞれ対向して各反射型ライトバルブで反射された各色光を入射させる各面を有したプリズム光学系と、
前記プリズム光学系の各面と、前記各反射型ライトバルブとの間にそれぞれ挿入される合計で3つの波長ユニット板とを少なくとも備えた反射型プロジェクタ光学系において、
前記3つの波長ユニット板の少なくともひとつは、これと対向する反射型ライトバルブで反射された色光の中心波長に対してλ/3〜λ/5の範囲のリターダンスを付与する第1の波長板と、G光の中心波長に対してλ/3〜λ/5の範囲のリターダンスを付与する第2の波長板とを組み合わせて構成したことを特徴とする反射型プロジェクタ光学系である。
【0017】
たとえば、赤帯域の光成分が透過するプリズムでは、赤帯域の光に対して、その中心波長のλ/3〜λ/5のリターダンス、より好ましくはλ/3〜λ/4を有する波長板と、緑帯域の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する波長板を用いる。また、青帯域の光成分が透過するプリズムでは、青帯域の光に対して、その中心波長のλ/3〜λ/5のリターダンス、より好ましくはλ/3〜λ/4のリターダンスを有する波長板と、緑の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する波長板を用いるのがより好ましい。
【0018】
緑帯域の光成分が透過するプリズムでは、それぞれ緑の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する2枚の波長板、もしくは、緑の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する波長板と、他のチャネルの中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する波長板との組み合わせであることが好ましい。
【0019】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の反射型プロジェクタ光学において、
前記プリズム光学系は、前記複数のプリズムが第1〜第3プリズムで構成されており、且つ、第1プリズムと第2プリズムとが第1のダイクロイック膜を介して接合され、前記第2プリズムと第3プリズムとが第2のダイクロイック膜を介して接合されていることを特徴とする反射型プロジェクタ光学系である。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る反射型プロジェクタ光学系について、図面を参照しながら説明する。
【0027】
<第1実施形態>
図1に、本発明の第1実施形態に係る反射型投影プロジェクタ光学系10を示す。反射型投影プロジェクタ光学系10は、光源13と、プリズム光学系11と、光源とプリズムの間に位置する偏光ビームスプリッタ15を含む。プリズム光学系11は、それぞれG(緑)、R(赤)、B(青)に対応する第1〜第3のプリズム11A〜11Cで構成される。第1プリズム11Aと第2プリズム11Bは、第1のダイクロイック膜27Aを介して接合され、第2プリズムと第3プリズム11Cは第2のダイクロイック膜27Bを介して接合される。
【0028】
反射型プロジェクタ光学系10はまた、各プリズムの出射面11a〜11cに対向して位置する反射型ライトバルブ17A〜17Cと、各プリズムの出射面と反射型ライトバルブとの間に挿入される波長板ユニット19A〜19Cを有する。
【0029】
反射板ユニット19A〜19Cのうち少なくともひとつは、2枚の波長板の組み合わせである。2枚の波長板は、最良のコントラストが得られるように、光軸に対して相互に回転調整して組み付けられる。
【0030】
図1の例では、赤色の光成分が伝播する第2プリズム11Bで使用される波長板ユニット19Bと、青色の光成分が伝播する第3プリズム11Cで使用される波長板ユニット19Cが2枚の波長板で構成されている。2枚の波長板のうち、第1の波長板20、22は、各プリズム11B、11Cを伝播する光成分の色帯域の中心波長に対して1/3〜1/5波長のリターダンスを有し、第2の波長板21、23は、緑帯域の中心波長に対して1/3〜1/5波長のリターダンスを有する。
【0031】
より具体的には、赤チャネルの波長板ユニット19Bの第1波長板20には、0.62μm(赤帯域)の波長の光に対して1/3波長の位相差(あるいは0.82μmの波長の光に対して1/4波長の位相差)を与え、第2波長板21には、0.546μm(緑帯域)の波長の光に対して1/4波長の位相差を与える。
【0032】
青チャネルの波長板ユニット19Cの第1波長板22には、0.460μm(青帯域)の波長の光に対して1/4波長の位相差を与え、第2波長板23には、0.546μm(緑帯域)の波長の光に対して1/4波長の位相差を与える。あるいは、波長板ユニット19Cの第1波長板22に、0.436μm(青帯域)で1/4波長の位相差を与え、第2波長板23には、0.546μm(緑帯域)で1/3.2波長の位相差を与える。
【0033】
図1に示す例では、いずれの波長板ユニットにおいても、第1の波長板は反射型ライトバルブ17の側に位置し、第2の波長板は、第1の波長板との間にエアギャップを介して対応するプリズム出射面側に位置するが、逆の配置、すなわち、第1の波長板をプリズム出射面側に配置し、第2の波長板をライトバルブ側に配置しても、同様の性能、効果が達成される。
【0034】
このような反射型投影プロジェクタ光学系10の動作は以下のとおりである。光源13を出た光は、フィルタ14を介して偏光ビームスプリッタ15のスプリッタ面15Aで反射され、プリズム光学系11に導かれる。プリズム光学系11への入射光のうち、緑帯域の光成分は、第1のダイクロイック膜27Aにより反射されて第1プリズム11Aを伝播し、第1の波長板ユニット19Aでリターダンスを付与され、第1の反射型ライトバルブ17Aで光変調される。この光路を第1チャンネルとする。
【0035】
一方、赤帯域と青帯域の光成分は、第1ダイクロイック膜27Aを透過し、第2プリズム11Bを伝播して、第2ダイクロイック膜27Bに入射する。このうち、赤帯域の光成分は、第2ダイクロイック膜27Bで反射され、第2プリズム11Bを伝播して、第2の波長板ユニット19Bでリターダンスを付与される。その後、第2の反射型ライトバルブ17Bで光変調される。この光路を第2チャンネルとする。
【0036】
青帯域の光成分は、第2ダイクロイック膜27Bを透過して、第3プリズム11Cを伝播し、第3の波長板ユニット19Cでリターダンスを付与されて、第3の反射型ライトバルブ17Cで光変調される。この光路を第3チャンネルとする。
【0037】
このチャンネル配置は、3原色の視覚感度特性の高い順に配置されている。すなわち、視感度特性の最も高い緑を最初に分離し(チャンネル1)、透過した光のうち、次に視覚感度の高い赤を分離し(チャンネル2)に、残った青をチャンネル3に配置している。しかし、緑成分を最初に分離する限り、プリズム配置は図1の例に限定されず、青色帯域をチャンネル2に、赤色帯域をチャンネル3にしてもよい。
【0038】
各反射型ライトバルブ17で変調された光成分は、対応するチャンネルの光路を戻り、合成されて偏光ビームスプリッタ15に再度入射する。変調光は、スプリッタ面15Aを透過してスクリーン(不図示)に導かれる。
【0039】
図2は、第1実施形態の第1の変形例を示す。図2の構成例では、緑帯域(チャンネル1)と、赤帯域(チャンネル2)の2箇所に、2枚の波長板から成る波長板ユニット19A、19Bをそれぞれ挿入する。
【0040】
第1プリズム11Aで使用される波長板ユニット19Aの第1波長板24は、0.55μm(緑帯域)の波長の光に対して1/5波長の位相差を与え、第2波長板25は、0.62μm(赤帯域)の波長の光に対して1/3.36波長の位相差を与える。また、第2プリズム11Bで使用される波長板ユニット19Bの第1波長板20は、0.62μm(赤帯域)の波長の光に対して1/3.36波長の位相差を与え、第2波長板21は、0.55μm(緑帯域)の波長の光に対して1/5波長の位相差を与える。
【0041】
あるいは、第2プリズム11Bで使用される波長板ユニット19Bの第1波長板20には、0.62μm(赤帯域)の波長の光に対して1/3.36波長の位相差を与え、第2波長板21には、0.55μm(緑帯域)の波長の光に対して1/4波長の位相差を与える。図2の例では、緑チャネルで使用される2枚の波長板を、異なる色帯域の光に対してそれぞれリターダンスを与える構成としているが、同じ色帯域の光に対してリターダンスを与える構成としてもよい。たとえば、波長板ユニット19Aを構成する2枚の波長板の双方を、0.55μm(緑帯域)の波長の光に対して1/3波長〜1/5波長の位相差を与える波長板としてもよい。
【0042】
2枚の波長板から成る波長板ユニットの挿入個所は、図1および2に示される3チャンネルのうちの2つの組み合わせに限定されるわけではない。
【0043】
図3は、第1実施形態の第2の変形例を示す。この変形例では、3つのプリズムのうち、少なくとも1つのチャネルで2枚の波長板の組み合わせから成る波長板ユニットを用いる。図3の例では、赤色帯域のチャンネル2にのみ、2枚の波長板の組み合わせを使用している。このように、いずれかひとつのチャンネルに2枚の波長板を挿入するだけでも、図1および2の構成例と同等のコントラスト改善効果が得られる。
【0044】
図4は、第1実施形態の第3の変形例を示す。第3変形例では、すべてのチャンネルに、2枚の波長板の組み合わせから成る波長板ユニット19A〜19Cを挿入する。この場合、すべてのチャンネルでそれぞれの帯域に応じて特性が改善されるので、戻り光がビームスプリッタ15で合成されてスクリーン上に表示されたときの画質向上の効果が最も高い。
【0045】
第1〜第3変形例のいずれの配置構成を採用する場合も、2枚の波長板の一枚を、緑帯域の光の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンス値を有する構成とする。このように特定範囲のリターダンスを有する波長板を組み合わせることによって、以下で詳述するように、図12(a)に示した従来技術のように偏光ビームスプリッタと素子の間に単一の波長板を挿入する場合、あるいは図12(b)に示したように各チャンネルに単一の波長板を挿入した場合と比較して、コントラスト比が著しく改善される。
【0046】
次に、図5〜9を参照して、2枚の波長板を挿入することによるコントラストの改善の作用効果について詳細に説明する。
【0047】
図5および6は、赤チャンネルにおいて、1枚の波長板だけを挿入した場合と、2枚の波長板を組み合わせて挿入した場合の各々について、リターダンスを変化させてコントラストを測定した実験結果を示す。図5のグラフにおいて、■でプロットした点は、波長板を2枚挿入したときのコントラストを示し、◆でプロットした点は、波長板を一枚だけ挿入したときのコントラストを示す。使用した波長板の詳細なデータ(使用する波長、リターダンス、ブライト特性、ダーク特性、バックグラウンドノイズ、コントラスト、620nm波長に換算したときのトータル位相差)は、図6に示すとおりである。
【0048】
図5のグラフ中、「620nmでλ/3.36」と示されている点は、620nmを中心波長とするの光に対して、1/3.36波長の位相差(リターダンス)を与える波長板を一枚だけ挿入したときのデータであり、これは、上述したUSP5986815号(図11(b))で開示される「色分離手段により色ビームの一部の偏光が回転することにより引き起こされる色ビームの楕円率と楕円偏光の方向の両方が最小になる値」に対応する。このときのコントラスト値は、39.46である。
【0049】
これに対し、本発明の第1実施形態において、図6の「波長板2枚使い」の欄に示されるように、 620nm(赤帯域)でλ/3.36〜λ/4のリターダンスの波長板(1枚目)と、550nmまたは546nm(緑帯域)でλ/5〜λ/3.2のリターダンスを有する波長板(2枚目)を組み合わせて挿入したところ、コントラストが80以上になる。特に、赤帯域でλ/3.6〜λ/4のリターダンスの波長板と、緑帯域でλ/4〜λ/5の波長板とを組み合わせると、コントラスト比が約110と、格段の効果が得られる。
【0050】
このように、異なる波長帯域の光に対する2枚の波長板を用いることによって、コントラストが著しく改善されるのは、第1ダイクロイック膜27Aによる偏光の乱れだけではなく、偏光ビームスプリッタ15による乱れも赤チャンネルに持ち込まれ、これらの乱れを2枚の波長板で個別に調整できるためであると考えられる。
【0051】
図7および8は、青チャンネルで1枚の波長板だけを挿入した場合と、2枚の波長板を組み合わせた場合のそれぞれにおいて、リターダンスを変化させてコントラストを測定した実験結果を示す。図7のグラフにおいて、■でプロットした点は、波長板を2枚挿入したときのコントラストを示し、◆でプロットした点は、波長板を一枚だけ挿入したときのコントラストを示す。使用した波長板の詳細なデータ(使用する波長、リターダンス、ブライト特性、ダーク特性、バックグラウンドノイズ、コントラスト、460nmに換算したときのトータルの位相差)は、図8の表に示すとおりである。
【0052】
図7および8において、「460nmで1/9波長」と示されている値が、上述のUSP5986815号で開示された「色分離手段により色ビームの一部の偏光が回転することにより引き起こされる色ビームの楕円率と楕円偏光の方向の両方が最小になる値」に対応する。このときのコントラストは35:1である。
【0053】
これに対し、本発明の第1実施形態では、436nm(青帯域)でλ/4の波長板と、546nm(G帯域)でλ/3.2の波長板の2枚を挿入することにより、コントラスト44が得られ、従来のように1枚の波長板だけを挿入する場合に比べて青帯域でのコントラストの改善が著しい。
【0054】
上述したように、プリズムの接合面に形成されている色分離用のダイクロイック膜27A,27Bで、入射光の偏光面にわずかな楕円偏光が生じるのは禁じえない。これに加え、ビームスプリッタでにおいても、わずかな偏光の乱れが起こり得る。このような偏光の乱れを個別に解消するために、第1実施形態では、異なる波長帯域の光に対して位相差を与える2枚の波長板を挿入するのである。
【0055】
図9は、緑チャンネルに波長板を1枚だけ挿入した場合と、2枚挿入した場合の明暗特性を測定した実験結果を示す。緑チャンネルでは、ダーク特性(黒画面)が著しく改善され、結果として、画質の大幅な向上が実現される。
【0056】
図9のグラフ中、細い実線は「550nmでλ/5」の波長板を1枚挿入したときのブライト特性を示し、細い破線が、550nmでλ/5の波長板を2枚挿入したときのブライト特性を示す。「550nmでλ/5」の波長板を1枚挿入したときの特性は、上述のUSP5986815号で開示された「色分離手段により色ビームの一部の偏光が回転することにより引き起こされる色ビームの楕円率と楕円偏光の方向の両方が最小になる値」に相当する。
【0057】
図9のグラフ中、太線の破線は、550nmでλ/5のリターダンス値の波長板を1枚挿入した場合のダーク特性を示し、太線の実線は、2枚使用した場合のダーク特性を示す。一般に、ダーク特性は、ブライト特性のプロファイルをそのまま下方に平行移動させたプロファイルであるのが好ましい。しかし、従来のように、波長板を1枚挿入しただけでは、ダーク特性のピークが右側にシフトし、かつ、プロファイル自体も変形してしまう。
【0058】
これに対し、本発明の第1実施形態のように、緑チャンネルで波長板を2枚挿入した場合は、ブライト特性を保持したまま、強度だけが低減する良好なプロファイルが得られ、画質が大幅に向上される。図9のグラフでは、550nmでλ/5の波長板を2枚挿入しているが、図2の例に示すように、550nmでλ/5の波長板と、620nmでλ/3.36の波長板とを組み合わせて使用しても、同様の効果が達成される。
【0059】
図1〜4に示す例では、いずれも、そのチャンネルの色帯域で使用される第1の波長板20、22を反射型バルブ17の側に配置し、緑帯域の光に対して使用される第2の波長板21、23をプリズムの出射面側に配置して、間に1mm程度のエアギャップを設けている。エアギャップを設けることで、アセンブリが容易になるとともに、2枚の波長板を最適な角度に回転調節する際の摩擦が防止される。しかし、本発明はこのような構成に限定されず、エアギャップを設けずに、2枚の波長板を個別に回転調整可能に接触させて、プリズム出射面と反射型ライトバルブ17の間に挿入してもよい。
【0060】
<第2実施形態>
図10は、本発明の第2実施形態にかかる反射型投影プロジェクタ30を示す。第2実施形態では、各プリズム31A〜31Cと、対応する素子(反射型ライトバルブ)37A〜37Cの間に、それぞれ第1の波長板39A〜39Cを挿入し、同時に、ビームスプリッタ15とプリズム光学系31との間にも、波長板41を挿入する。
【0061】
第1の波長板39A〜39Cは、各チャンネルにおける主波長のλ/3〜λ/5のリターダンスを有する。第2の波長板41は、緑の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する。図10に示す実施形態では、546nmでλ/4の波長板をプリズム31とビームスプリッタの間に挿入する。
【0062】
図10に示す例では、ビームスプリッタとの間に波長板41を挿入して、ビームスプリッタにより反射された光の緑成分にリターダンスを与えて偏光の乱れを補正し、各チャンネルのプリズム出射面と反射型ライトバルブ37の間に、それぞれ1枚の波長板を挿入して、各チャネルの色帯域における光成分に、さらにリターダンスを与えることによって、コントラストを改善している。
【0063】
本発明はこの構成に限定されず、ビームスプリッタとの間に波長板41を挿入すると同時に、少なくともひとつのチャンネルにおいて、2枚の波長板から成る波長板ユニットを使用してもよい。2枚の波長板のうちの1枚は、使用する色帯域の中心波長に対して、λ/3〜λ/5のリターダンスを有し、他方の波長板は、緑の中心波長に対してλ/3〜λ/5のリターダンスを有する。この場合の波長板の組み合わせは、第1実施形態で説明した組み合わせに従うのが好ましい。
【0064】
ビームスプリッタ15とプリズム37の間に波長板を挿入するとともに,少なくともひとつのチャンネルで2枚の波長板を使用することにより、コントラストおよびダーク特性が著しく改善され,画質の向上が実現される。
【0065】
【発明の効果】
本発明に係る反射型プロジェクタ光学系によれば、コンパクトな光学系が得られるとともに、従来の手法では出来なかったコントラスト改善を達成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る反射型投影プロジェクタの光学系の概略構成図である。
【図2】図1に示す光学系の第1変形例の図である。
【図3】図1に示す光学系の第2変形例の図である。
【図4】図1に示す光学系の第3変形例の図である。
【図5】図1に示すプリズムの赤チャンネルに波長板を1枚使用した場合と、2枚使用した場合のコントラスト値を示すグラフである。
【図6】図5のコントラスト測定に使用した波長板の詳細な情報を示す表である。
【図7】図1に示すプリズムの青チャンネルに波長板を1枚使用した場合と、2枚使用した場合のコントラストを示すグラフである。
【図8】図7のコントラスト測定に使用した波長板の詳細な情報を示す表である。
【図9】図1に示すプリズムの緑チャンネルに波長板を1枚使用した場合と、2枚使用した場合の明暗特性のプロファイルを示すグラフである。
【図10】本発明の第2実施形態に係る反射型投影プロジェクタの光学系の概略構成図である。
【図11】従来のいわゆるフィリップス型プリズムを用いた光学系を示す図である。
【図12】従来技術において、素子と偏光ビームスプリッタの間に1/4波長板を挿入した例(図12(a))と、各チャネルにおいて、プリズムの出射面と素子の間に波長板を1枚挿入した例(図12(b))を示す図である。
【符号の説明】
10、30 反射型投射プロジェクトの光学系
11、31 プリズム光学系
13 光源
14 フィルタ
15 ビームスプリッタ
17A〜11C,37A〜37C 反射型ライトバルブ
19A〜19C 波長板ユニット
20、21、22、23、24、25 波長板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-plate projection projector using a reflective light valve, and more particularly to improving the contrast of a reflective projection projector optical system that uses a Philips-like prism to separate and synthesize color light.
[0002]
[Prior art]
As a liquid crystal projector for displaying a color image, R (red), G (green), and B (blue) light beams of the three primary colors are irradiated onto the corresponding three liquid crystal panels, and each piece of R, G, and B image information is displayed. Is widely known to synthesize these color lights and project them on a screen.
[0003]
By the way, in recent years, as a liquid crystal panel, a reflective type that can increase an aperture ratio and can satisfy a demand for higher resolution and higher illuminance than a transmissive type has been known. ing. In addition, a reflective liquid crystal projector disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-48762 is used as a liquid crystal projector that uses a reflective liquid crystal light valve having such advantages and is smaller, lighter and cheaper and can eliminate the adjustment of convergence by the user. One using a projection optical system is known.
[0004]
In the above-mentioned publication, first, the light components of each color of R, G, B are separated, and after the separation, the light is reflected by three polarization beam splitters provided corresponding to the light of each color. To be irradiated. This configuration has an advantage in that the polarization beam splitter may be a single color and the reflection / transmission separation performance is improved. However, since the number of polarizing beam splitters corresponding to each color is required, there is a problem that the apparatus becomes large and the configuration becomes complicated. In the projection type display device, there is a great demand for downsizing and downsizing, and there is an urgent need to solve the above-described problems of the prior art.
[0005]
In order to solve such a problem, the technique disclosed in Japanese Patent No. 2505758 shown in FIG. 11 is effective. In the prior art shown in FIG. 11, a so-called Philips type prism 111 is used, and reflection type liquid
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art shown in FIG.
[0007]
Since the liquid crystal projector controls the output of linearly polarized light to turn light on (white) / off (black), it is extremely important to maintain the linear polarization of illumination light and image light. FIG.1In the conventional technology shown in Fig. 4, the analyzer is not able to insert an analyzer for correcting the elliptical polarization into the optical path even though the linear polarization is easily lost inside the prism. The light component that is emitted becomes very large. As a result, there has been a problem that the contrast is lowered.
[0008]
In addition, assembling the prism 111 via the
[0009]
In view of the above circumstances, the present inventors have proposed a novel prism optical system in Japanese Patent Application No. 2000-177694 (prism optical system for a reflective projection projector). This prism optical system is inexpensive to assemble, and in a projection optical system using a reflective light valve, the plane of polarization of polarized light guided to the color separation / combination prism rotates while passing through this prism. Is suppressed, and a decrease in contrast is prevented.
[0010]
On the other hand, a technique for improving contrast has been proposed from another approach.
[0011]
The first approach is the method disclosed in Japanese Patent No. 2006746 (or US Pat. No. 5,327,270) shown in FIG. In this method, a quarter wavelength plate 135 is inserted between the element 136 and the polarization beam splitter 132 to correct the rotated polarized light.
[0012]
The second approach is the method disclosed in US Pat. No. 5,986,815 shown in FIG. That is, a wavelength plate is inserted between the element and the prism in order to improve contrast with respect to the Philips prism. The polarization rotation is corrected by changing the retardance of the inserted wave plate from ¼ wavelength, and the polarization disturbance of the color light caused by the color separation means of the Philips prism (the polarized color light is converted into the elliptically polarized light by the color separation means). Is intended to be substantially eliminated.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an improvement of the reflective projection projector prism proposed in Japanese Patent Application No. 2000-177694 described above, further improving the contrast, and the conventional approach method shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b). Compared to the above, a remarkable contrast improvement effect is exhibited.
[0014]
In order to further improve the contrast improvement, a wave plate unit is provided between the reflection type light valve positioned opposite to the emission surface of each prism corresponding to G, R, and B and the light valve facing surface of each prism. Inserting, at least one of the wave plate units is composed of two wave plates.
[0016]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in claim 1 is a total of three reflective light valves provided corresponding to the three primary color lights of (green) and B (blue),
Multiple prismsAre joined via a dichroic film for a predetermined color light, and have respective surfaces on which the respective color lights reflected by the respective reflective light valves are made to face each of the three reflective light valves.Prism optics,
Each of the prism optical systemsSurface,EachInserted between each reflective light valve3 in totalWith the wavelength unit plateIn at least a reflective projector optical system,
The threeAt least one of the wavelength unit platesA first wave plate for imparting a retardance in the range of λ / 3 to λ / 5 with respect to the central wavelength of the color light reflected by the reflective light valve opposed thereto, and λ with respect to the central wavelength of the G light A reflective projector optical system comprising a combination of a second wave plate that provides retardance in the range of / 3 to λ / 5The
[0017]
For example, in a prism that transmits a light component in the red band, a wave plate having a retardance of λ / 3 to λ / 5, more preferably λ / 3 to λ / 4, with respect to the red band light. And a wave plate having a retardance of λ / 3 to λ / 5 with respect to the center wavelength of the green band. Also, a prism that transmits light components in the blue band has a retardance of λ / 3 to λ / 5, more preferably a retardance of λ / 3 to λ / 4, with respect to the blue band light. It is more preferable to use a wave plate having a retardance of λ / 3 to λ / 5 with respect to the green center wavelength.
[0018]
In a prism that transmits light components in the green band, two wave plates each having a retardance of λ / 3 to λ / 5 with respect to the green center wavelength, or λ / 3 to 3 with respect to the green center wavelength. A combination of a wave plate having a retardance of λ / 5 and a wave plate having a retardance of λ / 3 to λ / 5 with respect to the center wavelength of another channel is preferable.
[0019]
The invention according to
In the prism optical system, the plurality of prisms are configured by first to third prisms, and the first prism and the second prism are joined via a first dichroic film, and the second prism and A reflection type projector optical system characterized in that a third prism is joined via a second dichroic film.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a reflective projector optical system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
<First Embodiment>
FIG. 1 shows a reflective projection projector
[0028]
The reflection type projector
[0029]
At least one of the
[0030]
In the example of FIG. 1, two
[0031]
More specifically, the
[0032]
The
[0033]
In the example shown in FIG. 1, in any wave plate unit, the first wave plate is located on the reflective light valve 17 side, and the second wave plate is an air gap between the first wave plate and the first wave plate. The same is true even if the first wave plate is arranged on the prism emission surface side and the second wave plate is arranged on the light valve side. Performance and effects are achieved.
[0034]
The operation of such a reflective projection projector
[0035]
On the other hand, the light components in the red band and the blue band are transmitted through the first
[0036]
The light component in the blue band passes through the second
[0037]
This channel arrangement is arranged in descending order of the visual sensitivity characteristics of the three primary colors. That is, green having the highest visual sensitivity characteristic is first separated (channel 1), red light having the second highest visual sensitivity is separated from the transmitted light (channel 2), and the remaining blue is placed in channel 3. ing. However, as long as the green component is first separated, the prism arrangement is not limited to the example of FIG. 1, and the blue band may be
[0038]
The light components modulated by the respective reflection type light valves 17 return along the optical paths of the corresponding channels, are combined, and enter the
[0039]
FIG. 2 shows a first modification of the first embodiment. In the configuration example of FIG. 2,
[0040]
The
[0041]
OrSecond prism 11BIn the
[0042]
The insertion position of the wave plate unit composed of two wave plates is not limited to the combination of two of the three channels shown in FIGS.
[0043]
FIG. 3 shows a second modification of the first embodiment. In this modification, a wave plate unit composed of a combination of two wave plates in at least one channel among the three prisms is used. In the example of FIG. 3, a combination of two wave plates is used only for
[0044]
FIG. 4 shows a third modification of the first embodiment. In the third modification,
[0045]
In any of the arrangements of the first to third modifications, one of the two wave plates has a retardance value of λ / 3 to λ / 5 with respect to the center wavelength of the light in the green band. It is set as the structure which has. By combining the wave plates having a specific range of retardance in this way, as described in detail below, a single wavelength is provided between the polarizing beam splitter and the element as in the prior art shown in FIG. The contrast ratio is remarkably improved when a plate is inserted or when a single wavelength plate is inserted in each channel as shown in FIG.
[0046]
Next, with reference to FIGS. 5 to 9, the effect of improving the contrast by inserting two wave plates will be described in detail.
[0047]
5 and 6 show the experimental results of measuring the contrast by changing the retardance for each of the case where only one wave plate is inserted and the case where two wave plates are inserted in combination in the red channel. Show. In the graph of FIG. 5, the points plotted with ■ indicate the contrast when two wave plates are inserted, and the points plotted with ◆ indicate the contrast when only one wave plate is inserted. Detailed data (wavelength used, retardance, bright characteristics, dark characteristics, background noise, contrast, and total phase difference when converted to 620 nm wavelength) of the used wave plate are as shown in FIG.
[0048]
In the graph of FIG. 5, the point indicated as “λ / 3.36 at 620 nm” gives a phase difference (retardance) of 1 / 3.36 wavelength to light having a central wavelength of 620 nm. This is data when only one wave plate is inserted. This is disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 5,986,815 (FIG. 11 (b)). Corresponds to a value that minimizes both the ellipticity of the color beam and the direction of elliptically polarized light. The contrast value at this time is 39.46.
[0049]
On the other hand, in the first embodiment of the present invention, as shown in the column of “Using two wave plates” in FIG. 6, the retardance of λ / 3.36 to λ / 4 at 620 nm (red band). When a wave plate (first plate) and a wave plate (second plate) having a retardance of λ / 5 to λ / 3.2 at 550 nm or 546 nm (green band) are inserted in combination, the contrast becomes 80 or more. Become. In particular, when a retardance wave plate of λ / 3.6 to λ / 4 in the red band and a wave plate of λ / 4 to λ / 5 in the green band are combined, the contrast ratio is about 110, which is a remarkable effect. Is obtained.
[0050]
As described above, the use of the two wave plates for light of different wavelength bands significantly improves the contrast not only due to the polarization disturbance due to the first
[0051]
7 and 8 show the experimental results of measuring the contrast by changing the retardance in each of the case where only one wave plate is inserted in the blue channel and the case where two wave plates are combined. In the graph of FIG. 7, the points plotted with ▪ indicate the contrast when two wave plates are inserted, and the points plotted with ◆ indicate the contrast when only one wave plate is inserted. Detailed data of the used wave plate (wavelength used, retardance, bright characteristics, dark characteristics, background noise, contrast, total phase difference when converted to 460 nm) is as shown in the table of FIG. .
[0052]
7 and 8, the value indicated as “1/9 wavelength at 460 nm” is “color caused by rotation of a part of the polarization of the color beam by the color separation means disclosed in US Pat. No. 5,986,815 mentioned above. This corresponds to a value that minimizes both the ellipticity of the beam and the direction of elliptical polarization. The contrast at this time is 35: 1.
[0053]
On the other hand, in the first embodiment of the present invention, by inserting two λ / 4 wave plates at 436 nm (blue band) and λ / 3.2 wave plates at 546 nm (G band), Contrast 44 is obtained, and the contrast in the blue band is significantly improved as compared with the conventional case where only one wave plate is inserted.
[0054]
As described above, slight elliptically polarized light is inevitably generated on the polarization plane of the incident light in the color separation
[0055]
FIG. 9 shows the experimental results of measuring the light and dark characteristics when only one wave plate is inserted into the green channel and when two wave plates are inserted. In the green channel, the dark characteristic (black screen) is remarkably improved, and as a result, the image quality is greatly improved.
[0056]
In the graph of FIG. 9, the thin solid line shows the bright characteristics when one wave plate of “λ / 5 at 550 nm” is inserted, and the thin broken line shows the case when two wave plates of λ / 5 at 550 nm are inserted. Bright characteristics are shown. The characteristic when one wave plate of “λ / 5 at 550 nm” is inserted is disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 5,986,815, “Color beam caused by rotation of a part of the polarization of the color beam by the color separation means”. This corresponds to a value that minimizes both the ellipticity and the direction of elliptical polarization.
[0057]
In the graph of FIG. 9, the thick broken line indicates the dark characteristic when one wave plate having a retardance value of λ / 5 is inserted at 550 nm, and the thick solid line indicates the dark characteristic when two sheets are used. . In general, the dark characteristic is preferably a profile obtained by translating the profile of the bright characteristic downward as it is. However, if only one wave plate is inserted as in the prior art, the peak of the dark characteristic shifts to the right side, and the profile itself is also deformed.
[0058]
On the other hand, when two wave plates are inserted in the green channel as in the first embodiment of the present invention, a good profile in which only the intensity is reduced while maintaining the bright characteristic is obtained, and the image quality is greatly improved. To be improved. In the graph of FIG. 9, two λ / 5 wave plates are inserted at 550 nm, but as shown in the example of FIG. 2, a λ / 5 wave plate at 550 nm and λ / 3.36 at 620 nm. Similar effects are achieved even when used in combination with a wave plate.
[0059]
In the examples shown in FIGS. 1 to 4, the
[0060]
Second Embodiment
FIG. 10 shows a
[0061]
The
[0062]
In the example shown in FIG. 10, a
[0063]
The present invention is not limited to this configuration, and a wave plate unit composed of two wave plates may be used in at least one channel at the same time as inserting the
[0064]
By inserting a wave plate between the
[0065]
【The invention's effect】
According to the reflection type projector optical system of the present invention, a compact optical system can be obtained, and contrast improvement that cannot be achieved by the conventional method can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system of a reflective projection projector according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram of a first modification of the optical system shown in FIG.
3 is a diagram of a second modification of the optical system shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram of a third modification of the optical system shown in FIG.
5 is a graph showing contrast values when one wave plate is used for the red channel of the prism shown in FIG. 1 and when two wave plates are used. FIG.
6 is a table showing detailed information of the wave plate used in the contrast measurement of FIG.
7 is a graph showing contrast when one wave plate is used for the blue channel of the prism shown in FIG. 1 and when two wave plates are used. FIG.
8 is a table showing detailed information of the wave plate used in the contrast measurement of FIG.
9 is a graph showing profiles of light and dark characteristics when one wave plate is used for the green channel of the prism shown in FIG. 1 and when two wave plates are used. FIG.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an optical system of a reflective projection projector according to a second embodiment of the invention.
FIG. 11 is a diagram showing an optical system using a conventional so-called Phillips type prism.
FIG. 12 shows an example in which a quarter-wave plate is inserted between the element and the polarization beam splitter in the prior art (FIG. 12A), and a wave plate between the output surface of the prism and the element in each channel. It is a figure which shows the example (FIG.12 (b)) which inserted one sheet.
[Explanation of symbols]
10, 30 Optical system for reflective projection project
11, 31 Prism optical system
13 Light source
14 Filter
15 Beam splitter
17A-11C, 37A-37C Reflective light valve
19A-19C Wave plate unit
20, 21, 22, 23, 24, 25 Wave plate
Claims (2)
複数のプリズムがそれぞれ所定の色光用のダイクロイック膜を介して接合され、且つ、前記3枚の反射型ライトバルブとそれぞれ対向して各反射型ライトバルブで反射された各色光を入射させる各面を有したプリズム光学系と、
前記プリズム光学系の各面と、前記各反射型ライトバルブとの間にそれぞれ挿入される合計で3つの波長ユニット板とを少なくとも備えた反射型プロジェクタ光学系において、
前記3つの波長ユニット板の少なくともひとつは、これと対向する反射型ライトバルブで反射された色光の中心波長に対してλ/3〜λ/5の範囲のリターダンスを付与する第1の波長板と、G光の中心波長に対してλ/3〜λ/5の範囲のリターダンスを付与する第2の波長板とを組み合わせて構成したことを特徴とする反射型プロジェクタ光学系。 A total of three reflective light valves provided corresponding to the three primary color lights of R (red), G (green), and B (blue);
A plurality of prisms are bonded to each other through a dichroic film for a predetermined color light, and each surface on which each color light reflected by each reflective light valve is made to face each of the three reflective light valves. A prism optical system,
And each surface of the prism optical system, said at least includes a reflective projector optical system 3 and the wavelength unit plate in total are inserted between each reflection type light valve,
At least one of the three wavelength unit plates is a first wave plate that gives a retardance in the range of λ / 3 to λ / 5 with respect to the central wavelength of the color light reflected by the reflective light valve facing the plate. If, reflective projector optical system characterized by being configured by combining the second wave plate to impart retardance ranging from λ / 3~λ / 5 with respect to the center wavelength of the G light.
前記プリズム光学系は、前記複数のプリズムが第1〜第3プリズムで構成されており、且つ、第1プリズムと第2プリズムとが第1のダイクロイック膜を介して接合され、前記第2プリズムと第3プリズムとが第2のダイクロイック膜を介して接合されていることを特徴とする反射型プロジェクタ光学系。 The reflection type projector optical system according to claim 1,
In the prism optical system, the plurality of prisms are configured by first to third prisms, and the first prism and the second prism are joined via a first dichroic film, A reflection type projector optical system characterized in that a third prism is joined via a second dichroic film .
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