JP4045005B2

JP4045005B2 - カラー画像投影装置

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Publication number: JP4045005B2
Application number: JP06331598A
Authority: JP
Inventors: 宏太郎林; 賢治金野
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: JPH11258547A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる色の光からなる複数の光学画像を合成して投影する小型のカラー画像投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、透過型ＬＣＤ（liquid crystal display）よりも効率の高い反射型ＬＣＤが注目されている。反射型ＬＣＤは、反射型ＬＣＤの表面から入射した照明光を入射角とは逆符号でほぼ同じ反射角を持つ正反射の投影光を射出する。
【０００３】
この反射型ＬＣＤを用いた表示光学系として、従来、反射型ＬＣＤに対してほぼ垂直方向から照明し、垂直方向に投影光が射出するようにし、この投影光が投影光学系を介して像を形成するように構成されたものが提案されている。図８に、この光学系の具体例（従来例１）を示す。
【０００４】
図８は、光学系の水平断面図である。同図において、５１は光源、５２は光源５１に連結され、光源５１からの光を反射して集光するリフレクター、５４はリフレクター５２の前部に配設され、後述の反射型ＬＣＤを効率よく、むらなく照明するための照明光学系、５５、５６は特定の色の光のみを反射し残りの色の光を透過するダイクロイックミラー、５７、５８、５９は偏光ビームスプリッタ、６０、６１、６２はそれぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光学画像を形成する反射型ＬＣＤパネル、６３はクロスダイクロイックプリズム、６４は投影光学系である。
【０００５】
光源５１及び、光源５１からの光を反射するリフレクター５２からでた照明光は、照明光学系５３を通過してダイクロイックミラー５５によりＢの光が反射され、ダイクロイックミラー５６によりＧの光が反射され、３色の光に分離される。分離されたＲ、Ｇ、Ｂの光は、それぞれ偏光ビームスプリッタ５７、５８、５９に入射し、ここでＳ偏光光束のみが反射され反射された光が反射型ＬＣＤパネル６０、６１、６２に垂直入射する。
【０００６】
垂直に入射した照明光は、反射型ＬＣＤパネル６０、６１、６２で画素ごとに選択的にＰ偏光に変換されて正反射される。反射型ＬＣＤパネル６０、６１、６２で垂直に正反射された投影光は偏光ビームスプリッタ５７、５８、５９で反射せずに透過し、クロスダイクロイックプリズム６３に入射する。クロスダイクロイックプリズム６３で３色の投影光が合成され、投影光学系６４によってスクリーン上に結像される。
【０００７】
また、特開昭６３−２９２８９２号公報では、反射型ＬＣＤに垂直でない照明光が入射する構成の光学系（従来例２）が提案されている。該公報の光学系では、反射型ＬＣＤの近傍にフレネルレンズが配置されている。このフレネルレンズにより、反射型ＬＣＤにおける照明光の入射角と投影光の反射角がパネルの領域に応じて異なるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
反射型ＬＣＤは、正反射特性を持っている。このため、従来例１のように、照明光が反射型ＬＣＤパネル６０、６１、６２に垂直に入射する場合は、これを垂直に反射して投影光を形成するため、照明光と投影光が進行方向を逆にしただけのほぼ同じ光路を辿ることになる。よって、照明光の光路と投影光の光路を分離するための偏光分離プリズム５７、５８、５９を配置する必要があり大きなガラスブロックと多層の薄膜処理によるコストアップにつながる。
【０００９】
さらに、３色の投影光を合成するためのダイクロイックプリズム６３も必要となるために、結果的にレンズバックには２つのプリズム６３、５８（または５７または５９）を挿入する必要があるためにレンズバックの長さが非常に長くなった。レンズバックの長さが長くなると、その分だけレンズ枚数が増えたり収差補正を困難にしたりと投影光学系にかかる負担が大きくなる。
【００１０】
また、反射型ＬＣＤパネル６０、６１、６２の正反射特性に合わせるため、投影光学系６４はテレセントリック光学系でなければならず、テレセントリック光学系にするためにもレンズ枚数が増えたり収差補正を困難にしたりする。上記理由と合わせると、テレセントリック光学系で長いレンズバックを持たせようとすると、非常に多くのレンズ枚数が必要であり、光学系が大型化する。
【００１１】
偏光ビームスプリッタ等を用いることなく簡単な構成で照明光と投影光を分離できるようにするためには、反射型ＬＣＤに対して斜め方向から照明すればよい。このようにすれば、照明光と投影光の光路が異なる。しかしながら、このようにした場合、正反射特性から投影光も斜め方向に射出する。斜め方向に射出した投影光に対して反射型ＬＣＤと共役でかつ良好な像を形成する投影光学系を構成することは非常に困難である。
【００１２】
従来例２においては、クロスダイクロイックプリズムで色の分解合成を行っているが、投影光学系の瞳が近くテレセントリックから大きく離れているために、クロスダイクロイック面における入射角が大きくかつ軸外の光束と軸上の光束での角度が大きく異なるので十分な色の分離を行えずに光量のロス及び投影面での色むらが発生する。
【００１３】
このように、テレセントリック光学系から大きくはずれた光学系にクロスダイクロイックプリズムを用いると、ダイクロイック面の入射光に対する角度依存性により発生する色むらを除去することができないので好ましくない。また、良好な像を形成するためには、その投影光学系や照明光学系の構成が重要となってくるが、従来例２においてはこれらの具体的な構成が示されていない。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑み、照明光と投影光を分離するための部材を用いることなく、かつ投影面での色むらを低減させた、コンパクトで低コストのカラー画像投影装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の画素に分割された反射型液晶表示パネルを有する同一構成の複数の表示手段と、前記表示手段に与える照明光を形成する照明光学系と、前記照明光学系からの照明光を複数の色の光に分解して各色の光を対応する前記表示手段に与えるとともに前記複数の表示手段で形成された複数の色の投影光を合成する色分解合成手段と、前記色分解合成手段で合成された投影光を投影して投影面に結像させる投影光学系とを有するカラー画像投影装置において、前記色分解合成手段から照明光を前記反射型液晶表示パネルに対して斜めに出射させることにより、照明光と投影光とを分離させる構成になっており、前記色分解合成手段と前記反射型液晶表示パネルとの間に反射角変換光学系を有し、前記反射角変換光学系は、前記反射角変換光学系に入射する照明光が前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角と、前記反射角変換光学系から出射する投影光が前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角とが、対応する前記反射型液晶表示パネルの領域によって異なるようにし、前記反射型液晶表示パネルの中心部で、前記反射角変換光学系に入射する照明光の前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角が、前記反射角変換光学系から出射する投影光の前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角よりも大きくなっており、前記色分解合成手段は特定の色の光のみを反射し残りの色の光を透過する複数のダイクロイックコート面を備え、該ダイクロイックコート面の法線と前記投影光学系の光軸とのなす角度が３５゜以下であり、前記投影光学系の焦点距離をｆ、前記反射型表示パネル上の最軸外光線の像高をｙ、前記投影光学系に入射する前記投影光の最軸外光線の主光線と軸上主光線がなす角度をθとすると、
２＜（ｙ／ｔａｎθ）／ｆ＜１０を満たし、前記照明光学系と前記投影光学系の光軸を含む平面と、各色の投影光の軸上主光線を含む平面とは直交する構成とする。
【００１６】
反射角変換光学系は、例えば複数の前記各反射型液晶表示パネル近傍に配置したコンデンサーレンズで構成することができる。該コンデンサーレンズの光軸は対応する反射型液晶表示パネルから出射される投影光の内、合成後に前記投影光学系の光軸を光路とする投影光の合成前の光路に対して偏心していて、該偏心方向への前記反射型液晶表示パネルの像高をＨとしたとき、前記コンデンサーレンズの光軸は０．３Ｈ〜２．０Ｈ平行に偏心しているものとする。前記色分解合成手段としては、例えば、色分解合成プリズムや色分解合成ミラーで構成することができる。また、反射型液晶表示パネルは、前記反射角変換光学系による像面の傾きを補正するため、対応する反射型液晶表示パネル出射される投影光のうち、合成後に前記投影光学系の光軸を光路とする投影光の合成前の光路に対して、垂直より傾いていることが好ましい。その反射型表示パネルの傾き角度は、条件式：２°＜｜傾き角度｜＜８°を満足することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
〈第１の実施形態〉
図１は、本発明の実施形態のカラー画像投影装置の投影光学系の光軸を含む垂直断面図である。図２は、投影光学系の光軸を含む水平断面図である。１は光源、２は光源１を取り囲むように配置され、光源１からの光をほぼ平行にする例えば放物面形状をしたリフレクター、３は光源１及びリフレクター２から入射する光の不要な波長域をカットするＩＲ-ＵＶカットフィルターである。
【００１８】
４は複数のレンズセル４ａがマトリックス状に配置された第１のレンズアレイである。第１のレンズアレイ４は、後述する第２のレンズアレイ、コンデンサーレンズの光学作用により、反射型ＬＥＤパネルに対して共役関係となる位置に配置されている。５はＳ偏光光束のみを反射するダイクロイックミラー面５ａと全反射ミラー面５ｂを有する偏光分離プリズムである。
【００１９】
６は複数のレンズセル６ａがマトリックス状に配置された第２のレンズアレイである。第２のレンズアレイ６は、第１のレンズアレイ４、リフレクター２の光学作用により光源１と共役関係となる位置に設けられている。第２のレンズアレイ６のレンズセル６ａの密度は、第１のレンズアレイ４よりも横方向に倍になっている。
【００２０】
尚、図示はしないが、第２のレンズアレイ６のＰ偏光光束に対応するレンズセル６ａの入射面には、Ｐ偏光光束をＳ偏光光束に変換する半波長板が設けられている。これにより第２のレンズアレイ６から出る光は全てＳ偏光となる。
【００２１】
７は、３つの６面体のプリズム７ａ、７ｂ、７ｃから形成される色分解合成プリズムである。３つのプリズム７ａ、７ｂ、７ｃは、プリズム７ａとプリズム７ｂにより接合面７ｄが、プリズム７ｂとプリズム７ｃにより接合面７ｅが形成されるように接合されている。各面の角度等の詳細は後述する。
【００２２】
接合面７ｄには、可視光の内、略５１０nm以下の波長（Ｂ）の光を反射し、その他の波長の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着（ダイクロイックコート）され、接合面７ｅには、可視光の内、略５８０nm以上の波長（Ｒ）の光を反射し、その他の波長の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着されている。
【００２３】
８、９、１０は偏心したコンデンサーレンズ、１１、１２、１３はそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの電気画像を光学画像に変換する長方形の反射型ＬＣＤパネルである。反射型ＬＣＤパネル１２を例に挙げていうと、矢印２０が短辺方向、矢印２１が長辺方向である。照明光学系の光軸と投影光学系の光軸を含む平面と反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の短辺方向２０が平行である場合は、照明光と投影光の分離角度を小さくできるので好ましい。逆に、長辺方向２１と平行になると分離角度を大きくするために偏心したコンデンサーレンズ８、９、１０のパワーを強くする必要があるので投影光学系の収差補正が困難になり好ましくない。
【００２４】
各反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３は、入射光の内、各画素毎に選択的に偏光面を回転させ、あるいは回転させずに反射する。そして、不図示の偏光板で回転された光のうちＰ偏光成分のみを透過して投影光を形成する。１４はプリズム７からの投影光を不図示のスクリーン上に結像させる非テレセントリックな光学系である投影光学系である。１５は、投影光学系１４に設けられた絞りである。
【００２５】
上記構成において、１〜６までの構成を特許請求の範囲でいうところの照明光学系、７の構成を同じく色分解合成手段、８〜１０の構成を同じく反射角変換光学系、１１〜１３の構成と上記不図示の偏光板を同じく表示手段とする。
【００２６】
上記構成において、光源１から放射されたランダム偏光の光束は、一部は光源１から直接、残りはリフレクタ２から反射され、ＩＲ-ＵＶカットフィルター３で不要成分をカットされた後、第１のレンズアレイ４に入射される。第１のレンズアレイ４では複数の光束に分離され、偏光分離プリズム５に入射されダイクロイック面５ａでＳ偏光が反射され、全反射面５ｂでＰ偏光が反射されることによりＳ偏光とＰ偏光に分離される。Ｓ偏光は直接第２のレンズアレイ６に入射され、Ｐ偏光は入射面で不図示の半波長板によりＳ偏光に偏光された後、第２のレンズアレイ６に入射され、光源像を結像される。
【００２７】
この光源像を二次光源として、第２のレンズアレイ６から複数の光束が出射され、色分解合成プリズム７の面７ｆに斜め上方から入射する。プリズム７に入射された光束は接合面７ｄでＢの光束が反射され、接合面７ｅでＲの光束が反射され、残りのＧの光束はコンデンサーレンズ９を介して反射型ＬＣＤパネル１２に与えられる。接合面７ｄで反射されたＢの光束は、面７ｆへの入射角度が大きいのでここで全反射をおこしコンデンサーレンズ８を介して反射型ＬＣＤパネル１１に与えられる。接合面７ｅで反射されたＲの光束は、コンデンサーレンズ１０を介して反射型ＬＣＤパネル１３に与えられる。
【００２８】
反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３で生成されたＲ、Ｇ、Ｂの各色の光学画像を形成する投影光は、それぞれコンデンサーレンズ８、９、１０を介して色分解合成プリズム７に入射する。Ｂの投影光は面７ｆ、接合面７ｄで反射され、面７ｆに対する入射角がほぼ０゜となって面７ｆを透過する。Ｇの投影光はそのまま面７ｆを透過する。Ｒの投影光は接合面７ｅで反射された後、面７ｆを透過する。結果的に、３色の投影光が合成されて、色分解合成プリズム７から出射される。この合成された投影光は投影光学系１４により不図示のスクリーン上に結像される。
【００２９】
上記のように、本実施形態においては、半波長板を第２のレンズアレイのＰ偏光に対応するレンズセル６ａの入射面に設ける構成とし照明光としてＳ偏光光束のみを用いるようにしたが、半波長板をＳ偏光に対応するレンズセル６ａの入射面に設ける構成とし照明光としてＰ偏光光束のみを用いるようにしてもよい。
【００３０】
反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３を均一にけられなく照明するためには、第２のレンズアレイ６にできる第１のレンズアレイ４の光源像と投影光学系１４の絞り１５が共役の関係にあることが必要となるが、上記構成では第２のレンズアレイ６が絞り１５のほぼ上にきているので、その関係を維持している。
【００３１】
このように、第２のレンズアレイ６を絞り１５のほぼ上に位置するようにするには、投影光学系１４の射出瞳距離とコンデンサーレンズ８、９、１０の焦点距離をほぼ等しくするとよい。逆に、絞り１５から遠く離れて位置するようにするには、コンデンサーレンズ８、９、１０の焦点距離を長くすると、反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３から第２のレンズアレイ６の間の距離を長くすることができる。また、投影光学系１４の絞り１５と共役な位置に第２レンズアレイ６を直接配置してもよいが、ここに第２のレンズアレイ６と共役な像を結ぶように光学系を配置するようにしてもよい。
【００３２】
上記のように、本実施形態においては、色分解合成手段として２つのダイクロイックコート面７ｄ、７ｅを有する色分解合成プリズムが用いられる。一般に、ダイクロイックコート面はその入射角により選択的に透過される波長域が変化する。その変化の度合いは、設計入射角が大きいほど角度による特性波長域の変化の割合が大きい。よって、本実施形態のように軸上と軸外の主光線角度が大きい非テレセントリックな光学系においては、ダイクロイックコート面に入射する軸上の主光線の角度が３５゜以下（条件式１とする）であるようにする。
【００３３】
また、本実施形態は、非テレセントリックな光学系であるので、ダイクロイックコート面７ｄ、７ｅへの入射角が３５゜以下であっても、軸上光と軸外光の特性の差が若干生じる。これを解決する方法として、ダイクロイックコート面が場所ごと、例えば図２のダイクロイックコート面７ｅの上側から下側の間を特性が少しずつ変化するようにした傾斜コーティングが知られている。傾斜コーティングを用いる場合、傾斜コーティングをするダイクロイックコート面は、反射型ＬＣＤパネルに近い方がよい。反射型ＬＣＤパネルに近い方のダイクロイックコート面７ｅでは、軸上光と軸外光の通過する場所が面７ｅ上で異なるので、軸上光と軸外光の入射角の違いによるコートの特性の差をキャンセルするような傾斜コーティングとする。通常、特性の差による色むらを感じやすいのはＲとＧの光なので、ＲとＧの光の分離を面７ｅで行うのがよい。
【００３４】
ダイクロイックコート面に入射する軸上の主光線の角度が３５゜を超えると、入射角度が大きくなり表示面での色むらが大きくなる。さらに、３１゜以下（条件式１′とする）であるとより色むらの少ない表示を得ることができる。
【００３５】
上記のように、本実施形態においては、反射角変換光学系として、偏心したコンデンサーレンズ８、９、１０を各反射型ＬＣＤパネル８、９、１０の直前に配置している。コンデンサーレンズ８、９、１０が反射型ＬＣＤパネル８、９、１０から大きく離れると長いレンズバックが必要になり、投影光学系１４の性能を維持するのも困難になるので好ましくない。
【００３６】
反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３のコンデンサーレンズ８、９、１０の偏心方向の像高（反射型ＬＣＤパネルの辺の長さ）をＨとしたとき、コンデンサーレンズ８、９、１０はコンデンサーレンズ８、９、１０のレンズ光軸αが投影光学系１４のレンズ光軸βから０．３Ｈ〜２．０Ｈ（条件式２とする）平行に偏心しているものであるとする。
【００３７】
尚、コンデンサーレンズ８、１０の偏心量は、上記βの代わりにそれぞれ合成後に投影光学系のレンズ光軸βを光路とする合成前の投影光の光路β′、β″を用いて上記と同様に扱う。Ｇの投影光に関しては、レンズ光軸βを光路とする合成前の投影光の光路はレンズ光軸β上にある。β、β′、β″は図２中に示してある。
【００３８】
偏心量が０．３Ｈ以下であると、偏心量が少ないため、照明光と投影光を分離するためにはコンデンサーレンズのパワーを強くする必要が生じ、投影光学系の性能を劣化させてしまう。２．０Ｈ以上であると、偏心量が多いため、コンデンサーレンズの径が大きくなりコスト高になってしまう。さらに、変心量は０．４Ｈ〜１．０Ｈ（条件式２′とする）である方が好ましい。
【００３９】
図３に、コンデンサーレンズ８、９、１０及び反射型ＬＣＤパネル１１、１２１３の光路イメージ図を示す。コンデンサーレンズ８、９、１０のレンズ光軸を一点鎖線αで示す。図３において、右上からの照明光は、偏心したコンデンサーレンズ８、９、１０を透過して反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の中央部Ｐ、左部Ｐ′、右部Ｐ″に入射し、反射されて再度コンデンサーレンズ８、９、１０を逆に通過して、同図の上方へと向かう。
【００４０】
反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の各領域における照明光の入射角、投影光の反射角は、コンデンサーレンズ８、９、１０に入射する直前の照明光、コンデンサーレンズ８、９、１０から出射直後の投影光で考える。同図に示すように、反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の中央部Ｐにおいては、表面に対して入射角２１．９゜、反射角−５．０゜で、コンデンサーレンズ８、９、１０に照明光ｐ₁、投影光ｐ₂が出入りする。
【００４１】
同図の反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の左部Ｐ′においては、表面に対して入射角２５．２゜、反射角１．７゜で、コンデンサーレンズ８、９、１０に照明光ｐ₁′、投影光ｐ₂′が出入りする。このように、コンデンサーレンズ８、９、１０は、照明光の反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３に対する入射角と、投影光の反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３に対する反射角とが、対応する反射型表示パネル１１、１２、１３の領域によって異なるようにする。
【００４２】
従って、反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の各素子に入射、反射する光線の角度はほぼ一定でありながら、投影光学系１４を非テレセントリック光学系とすることが可能となり、投影光学系１４のレンズ径を小さくし、レンズ枚数を少なくしてコストダウンと小型化を図ることができる。また、各ＬＣＤ素子は一定の角度に対する入射、反射特性を最適にすることができる。本実施形態は、上記のようにＬＣＤ素子に対する入射、反射角度は反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３の全領域でほぼ等しくすることができるので好ましい。
【００４３】
上記のように、本実施形態では投影光学系１４を非テレセントリック光学系とすることが可能となる。しかし、投影光学系の射出瞳距離が小さすぎると色分解合成プリズム７を挿入するためのレンズバックを確保することが難しくなる。従って、投影光学系１４の射出瞳距離を適切に保つための以下の条件を満たすこととする。
【００４４】
焦点距離をｆ、反射型表示パネル１１、１２、１３上の最外軸光線の像高（反射型表示パネルの対角線の半分の値となる）をｙ、投影光学系に入射する投影光の最外軸光線の主光線と軸上主光線がなす角度をθとしたときに、（ｙ／ｔａｎθ）／ｆが２〜１０（条件式３とする）となる。（ｙ／ｔａｎθ）／ｆが前記下限を超えると十分なレンズバックを確保するのが困難になり、上限を超えると投影光学系のレンズ枚数が増えるのでコスト高になる。
【００４５】
また、反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３は偏心したコンデンサーレンズ８、９、１０による像面の傾きを補正するため、投影光学系のレンズ光軸βまたは光路β′、β″に対して、垂直より若干傾いている。この傾きは、小さすぎると傾きを補正しきれず、大きすぎると大きな歪曲が発生するため２゜＜｜傾き角度｜＜８゜（条件式４とする）が望ましい。
【００４６】
以下に、本実施形態におけるコンストラクションデータを示す。データ中対応する各面は図１中に図示する。データ中で＊印をつけた面は非球面であり、非球面係数及び非球面を表す式も続いて示す。また、偏心したレンズの偏心量や位置等も別途示す。光学系の構成要素の位置関係は、図１に示すように紙面に平行で投影光学系１４の光軸β方向であるＸ軸と、それと直角をなすＹ軸及び紙面に垂直のＺ軸が示す３次元座標により表される。
【００４７】
第１３面（r13）、第１４面（r14）を持つレンズが偏心したコンデンサーレンズ９である。尚、図１には図示しないが、コンデンサーレンズ８、１０もコンデンサーレンズ９と同様に、第１３面、第１４面を有する構成となっている。
【００４８】
また、図４にこの投影光学系１４の収差図を示す。同図の球面収差図において、実線（ｄ）はｄ線における球面収差を表し、破線（ＳＣ）は正弦条件を表している。また、非点収差図において、実線（ＤＳ）と破線（ＤＭ）は、それぞれサジタル光束とメリディオナル光束の非点収差を表している。ここでは簡便のためにコンデンサーレンズの偏心をなくして軸対称の状態での収差を示した。
【００４９】

【００５０】
〔第４面（*r4）の非球面係数〕
ε＝０．０１６４０４３７
Ａ＝０．９２６５２７×１０^-5
Ｂ＝−０．１４３５７２×１０^-7
Ｃ＝０．５３１０５９×１０^-10
Ｄ＝−０．７１５９７９×１０^-13
【００５１】

この式において、
ｒ＝（ｙ²＋ｚ²）^1/2
ε：２次曲面パラメータ
ｃ：曲率（曲率半径ｃｒの逆数）
【００５２】
〔反射型ＬＣＤパネルの大きさ〕
長辺：３５．８４mm
短辺（Ｈの値）：２１．５mm
【００５３】
〔投影光学系の焦点距離（ｆ）〕
２８．６mm
｛（ｙ／ｔａｎθ）／ｆ＝３．５３となるので条件式３を満たす｝
【００５４】
〔第１３面（r13）の平行偏心〕
１３．９０７９００mm（ｙ軸方向に）
（１３．９０７９００＝０．６４７Ｈとなるので条件式２′を満たす）
【００５５】
〔像面（r15）の傾き偏心〕
５.３４１０８９゜
（条件式４を満たす）
【００５６】
〔ダイクロイックコート面の軸上主光線となす角度〕
７ｄ面：２７．９゜（条件式１′を満たす）
７ｅ面：３２．１゜（条件式１を満たす）
【００５７】
上記実施形態においては、色分解合成手段として上記図２に示した色分解合成プリズム７を用いたが、これ以外の構成のものでも本発明を達成できる。以下、第２〜第４の実施形態として色分解合成手段の他の例を示す。
【００５８】
〈第２の実施形態〉
図５は、本実施形態の色分解合成手段とそれに対応させて配置したコンデンサーレンズ８、９、１０と反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３を含む図２に対応する図である。色分解合成手段として、２つの６面体プリズム７２ａ、７２ｃと１つの５面体プリズム７２ｂの３つのプリズム７２ａ、７２ｂ、７２ｃからなる色分解合成プリズム７２が用いられる。２つのプリズム７２ｂ、７２ｃは、プリズム７２ｂとプリズム７２ｃにより接合面７２ｅが形成されるように接合されている。プリズム７２ａ、７２ｂは、わずかな空気の層をおいて配置されている。隔たれたプリズム面のうち、プリズム７２ａ側を面７２ｄ、プリズム７２ｂ側を面７２ｇとする。
【００５９】
面７２ｄには、Ｂの光束のみを反射しその他の色の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着され、接合面７２ｅには、Ｒの光束のみを反射しその他の色の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着されている。面７２ｄ、接合面７２ｅの軸上主光線となす角度はそれぞれ２７．９゜、１２．４゜でともに条件式１′を満たす。
【００６０】
面７２ｆから入射した照明光のうちＢの光束は面７２ｄで反射され、面７２ｆで全反射されたのち対応する反射型ＬＣＤパネル１１に入射する。Ｒの光束は接合面７２ｅで反射され、面７２ｇで全反射されたのち対応する反射型ＬＣＤパネル１３に入射する。Ｇの光束は色分解合成プリズム７２の全ての面を透過して対応する反射型ＬＣＤパネル１２に入射する。投影光については照明光の逆をたどれば説明がつくので、説明を省略する。
【００６１】
〈第３の実施形態〉
図６は、本実施形態の色分解合成手段とそれに対応させて配置したコンデンサーレンズ８、９、１０と反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３を含む図２に対応する図である。色分解合成手段として、２つの６面体プリズム７３ａ、７３ｄと２つの５面体プリズム７３ｂ、７３ｃの４つのプリズム７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄからなる色分解合成プリズム７３が用いられる。４つのプリズム７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄは、プリズム７３ａとプリズム７３ｂにより接合面７３ｅが、プリズム７３ｃとプリズム７３ｄにより接合面７３ｆが形成されるように接合されている。プリズム７３ｂとプリズム７３ｃは、わずかな空気の層をおいて配置されている。隔たれたプリズム面のうち、プリズム７３ｃ側の面を面７３ｇとする。
【００６２】
接合面７３ｅには、Ｂの光束のみを反射しその他の色の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着され、接合面７３ｆには、Ｒの光束のみを反射しその他の色の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着されている。接合面７３ｅ、接合面７３ｆの軸上主光線となす角度はそれぞれ２７．９゜、２７．９゜でともに条件式１′を満たす。
【００６３】
面７３ｈから入射した照明光のうちＢの光束は接合面７３ｅで反射され、面７３ｈで全反射されたのち対応する反射型ＬＣＤパネル１１に入射する。Ｒの光束は接合面７３ｆで反射され、面７３ｇで全反射されたのち対応する反射型ＬＣＤパネル１３に入射する。Ｇの光束は色分解合成プリズム７３の全ての面を透過して対応する反射型ＬＣＤパネル１２に入射する。投影光については照明光の逆をたどれば説明がつくので、説明を省略する。
【００６４】
〈第４の実施形態〉
図７は、本実施形態の色分解合成手段とそれに対応させて配置したコンデンサーレンズ８、９、１０と反射型ＬＣＤパネル１１、１２、１３を含む図２に対応する図である。色分解合成手段は、２つのダイクロイックミラー７４ａ、７４ｂからなる色分解合成ミラー７４である。２つのダイクロイックミラー７４ａ、７４ｂの照明光の入射する面にはダイクロイック多層膜が蒸着されている。
【００６５】
ダイクロイックミラー７４ａには、Ｂの光束のみを反射しその他の色の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着され、ダイクロイックミラー７４ｂには、Ｒの光束のみを反射しその他の色の光束を透過するダイクロイック多層膜が蒸着されている。ダイクロイックミラー７４ａ、７４ｂの軸上主光線となす角度はそれぞれ３０゜、３０゜でともに条件式１′を満たす。
【００６６】
照明光のうちＢの光束はダイクロイックミラー７４ａで反射され、対応する反射型ＬＣＤパネル１１に入射する。Ｒの光束はダイクロイックミラー７４ｂで反射され、対応する反射型ＬＣＤパネル１３に入射する。Ｇの光束は２つのダイクロイックミラー７４ａ、７４ｂを透過して対応する反射型ＬＣＤパネル１２に入射する。投影光については照明光の逆をたどれば説明がつくので、説明を省略する。
【００６７】
【発明の効果】
本発明のカラー画像投影装置によると、照明光と投影光が異なった角度で入射反射を行うので、照明光と投影光を分離するための偏光分離プリズム等が必要なく、また投影光学系も非テレセントリック光学系であるために少ないレンズ枚数で実現することが可能となっている。従って、装置全体の大きさをコンパクトにでき、かつ光学部品及びそれを保持する部品の点数を大幅に削減できるので安価な構成を達成できる。
【００６８】
また、本発明では、ダイクロイックコート面への照明光の入射角度が３５゜以下になる構成としたので、色むらのない良質が画像を表示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のカラー画像投影装置の垂直断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態のカラー画像投影装置の水平断面図。
【図３】コンデンサーレンズ及び反射型ＬＣＤパネルの光路イメージ図。
【図４】第１の実施形態における投影光学系の収差図。
【図５】第２の実施形態の色分解合成プリズムの構成を示す水平断面図。
【図６】第３の実施形態の色分解合成プリズムの構成を示す水平断面図。
【図７】第４の実施形態の色分解合成ミラーの構成を示す水平断面図。
【図８】従来例のカラー画像投影装置の水平断面図。
【符号の説明】
１光源
２リフレクター
４第１のレンズアレイ
５偏光分離プリズム
６第２のレンズアレイ
７、７２、７３色分解合成プリズム
８、９、１０コンデンサーレンズ
１１、１２、１３反射型ＬＣＤパネル
１４投影光学系
７４色分解合成ミラー

Claims

複数の画素に分割された反射型液晶表示パネルを有する同一構成の複数の表示手段と、前記表示手段に与える照明光を形成する照明光学系と、前記照明光学系からの照明光を複数の色の光に分解して各色の光を対応する前記表示手段に与えるとともに前記複数の表示手段で形成された複数の色の投影光を合成する色分解合成手段と、前記色分解合成手段で合成された投影光を投影して投影面に結像させる投影光学系とを有するカラー画像投影装置において、
前記色分解合成手段から照明光を前記反射型液晶表示パネルに対して斜めに出射させることにより、照明光と投影光とを分離させる構成になっており、
前記色分解合成手段と前記反射型液晶表示パネルとの間に反射角変換光学系を有し、
前記反射角変換光学系は、前記反射角変換光学系に入射する照明光が前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角と、前記反射角変換光学系から出射する投影光が前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角とが、対応する前記反射型液晶表示パネルの領域によって異なるようにし、
前記反射型液晶表示パネルの中心部で、前記反射角変換光学系に入射する照明光の前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角が、前記反射角変換光学系から出射する投影光の前記反射型液晶表示パネルの法線に対してなす角よりも大きくなっており、
前記色分解合成手段は特定の色の光のみを反射し残りの色の光を透過する複数のダイクロイックコート面を備え、該ダイクロイックコート面の法線と前記投影光学系の光軸とのなす角度が３５゜以下であり、
前記投影光学系の焦点距離をｆ、前記反射型表示パネル上の最軸外光線の像高をｙ、前記投影光学系に入射する前記投影光の最軸外光線の主光線と軸上主光線がなす角度をθとすると、
２＜（ｙ／ｔａｎθ）／ｆ＜１０を満たし、
前記照明光学系と前記投影光学系の光軸を含む平面と、各色の投影光の軸上主光線を含む平面とは直交することを特徴とするカラー画像投影装置。
前記反射型液晶表示パネルは長方形であり、該反射型液晶表示パネルの短辺は、前記照明光学系と前記投影光学系の光軸を含む平面と平行であることを特徴とする請求項１に記載のカラー画像投影装置。
前記色分解合成手段は、前記照明光を第１から第３の波長域の光に分解するとともに第１から第３の波長域の光からなる投影光を合成する第１から第３のプリズムで形成された色分解合成プリズムであり、
該色分解合成プリズムは、第１のプリズムに形成された、第１の波長域、第２の波長域、第３の波長域の光共に垂直入射近傍では透過し、所定の角度以上では第１の波長域の光に対し反射する照明光入射面と、第１のプリズムと第２のプリズムの接合面に形成された第１の波長域の光を反射する第１のダイクロイックコート面と、第２のプリズムと第３のプリズムの接合面に形成された第２の波長域の光を反射する第２のダイクロイックコート面と、第１から第３のプリズムに形成された第１から第３の波長域に対応する第１から第３の反射型液晶表示パネルに照明光を導く射出面とを有し、
前記照明光のうち第１の波長域の光は前記照明光入射面に垂直入射近傍で入射し透過し、第１のダイクロイックコート面で反射され、前記照明光入射面に所定の角度以上で入射し反射され、第１のプリズムの前記射出面を透過して第１の反射型液晶表示パネルに導かれ、
前記照明光のうち第２の波長域の光は第１のプリズムの全ての面を透過し、前記第２のダイクロイックコート面で反射され、第２のプリズムの前記射出面を透過して第２の反射型液晶表示パネルに導かれ、
前記照明光のうち第３の波長域の光は第１のプリズム、第２のプリズムの全ての面を透過し、第３のプリズムの前記射出面を透過して第３の反射型液晶表示パネルに導かれることを特徴とする請求項１または２に記載のカラー画像投影装置。
前記反射角変換光学系は、複数の前記各反射型液晶表示パネルの近傍に配置されたコンデンサーレンズからなり、該コンデンサーレンズの光軸は対応する反射型液晶表示パネルから出射される投影光の内、合成後に前記投影光学系の光軸を光路とする投影光の合成前の光路に対して偏心していて、該偏心方向への前記反射型液晶表示パネルの像高をＨとしたとき、前記コンデンサーレンズの光軸は０．３Ｈ〜２．０Ｈ平行に偏心していることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のカラー画像投影装置。
前記反射型液晶表示パネルは、前記反射角変換光学系による像面の傾きを補正するため、対応する反射型液晶表示パネルから出射される投影光のうち、合成後に前記投影光学系の光軸を光路とする投影光の合成前の光路に対して、垂直より傾いていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のカラー画像投影装置。
前記反射型液晶表示パネルの傾き角度は、条件式：２°＜｜傾き角度｜＜８°を満足することを特徴とする請求項５に記載のカラー画像投影装置。