专利名称：投影机的制作方法
技术领域：
本发明涉及能显示宽范围的色域的投影机，更详细地说，涉及从光源光生成4种色光并使用这4种色光形成投影图像的投影机。
背景技术：
作为投影机中的彩色图像的生成方法，一般是使用红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)这3原色的色光的方法，但如在图7中作为「以往」所示那样，在该方法中不能充分地覆盖人眼能感觉的色域。为了进行实物的忠实且自然的色的再现，色域的扩大是必要的、不可缺少的，除了现有的红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)外，如果能调制510纳米附近的色光，则可大幅度地使能表现的色域扩大。根据这样的背景，研究了使用在3原色上加上了其它的色光的4种以上的色光生成彩色图像的投影机(例如，参照非专利文献1)。
专利文献1特开平8-304739号公报(图8)非专利文献1山口，「多原色显示器」，彩色论坛JAPAN’99论文集，光学4分会，1999年11月，p.73-79作为使用了上述那样的多种色光的投影机，例如，如非专利文献1中所介绍的那样，研究考虑了几种形态的投影机。以下，关于使用了4种色光的情况，介绍代表性的形态例。
(1)面分割型投影仪在该投影机中，例如与将平行地配置的分色镜用作色光合成系统的3片式投影机同样地平行地配置3对分色镜来构成色光分离和色光合成系统，在这些光学系统间配置了4个电光装置。由于使用对于每种色光独立的电光装置来形成投影图像，故如果与后述的并列配置像素排列型和时间分割型投影机比较，虽然其光利用效率高、容易实现投影图像的高亮度化，但必须有多个电光装置，此外，为了用3片分色镜合成4种色光，不得不加长电光装置与投影透镜之间的距离，这样就难以实现投影机装置的低成本化和小型化。
(2)并列配置像素排列型投影仪在该投影机中，与电光装置的像素排列对应地在同一平面上配置在每个像素中不同的4色的滤色器，形成彩色的投影图像。在结构方面是极为简单的，由于能用1个电光装置形成彩色的投影图像，故容易谋求投影机装置的小型化和低成本化，但由于用滤色器来形成色光，故光利用效率非常低，要实现投影图像的高亮度化是极为困难的。此外，由于并列配置和排列与色光对应的像素，故不适合应用于投影图像的高精细化。
(3)时间分割型投影仪在该投影机中，例如与具备旋转滤色器的单片式投影机同样，使以扇状排列4色的滤色器而构成的圆盘状的滤色器旋转，以时间分割的方式生成各色光的投影图像，通过在时间上连续地显示这些图像，使入眼作为彩色图像来识别。由于能用1个电光装置形成彩色的投影图像，此外，能容易地生成多色的投影图像，故容易谋求投影机装置的小型化和低成本化，但由于每种色光的显示时间变短，故光利用效率非常低，要实现投影图像的高亮度化是极为困难的。此外，由于对形成图像的电光装置要求高速响应性，故也存在能使用的电光装置的种类受到限制的缺点。
(4)空间像素排列型投影仪在该投影机中，使用对于4个像素以阵列状具备1个微透镜的电光装置，利用以扇状配置的4片分色镜或全息元件等的色光分离系统生成从光源光射出方向不同的多条色光，使不同的色光入射到每个像素上来形成彩色的投影图像。由于以不使用滤色器的方式生成色光，故与时间分割型投影仪或并列配置像素排列型投影仪相比光利用效率比较高，比较容易实现投影图像的高亮度化。此外，能用1个电光装置形成彩色的投影图像，故容易谋求投影机装置的小型化，但与并列配置像素排列型投影仪同样，由于并列配置排列与色光对应的像素，故不适合应用于投影图像的高精细化。再者，被色光分离系统进行了分离的色光因在微透镜中的聚光(最大聚光角α0)和色光分离系统中的方向分离(分离角β0)的缘故成为具有宽的角度分布的发散光(最大发散角度α0+β0)并从电光装置射出。为了使投影透镜与具有宽的角度分布的发散光相对应，必须使用透镜的F值小且能包含各色光的发散时的光束直径的大口径的投影透镜，但这样的透镜的价格非常高，而且不可避免地成为大型化的装置。
如上所述，虽然使用多种色光的投影机在原理上可充分地实现，但要同时实现投影图像的高亮度化、投影图像的高精细化、投影机装置的小型化、投影机装置的低成本化等是困难的，迄今为止尚未实现实用性高的投影机。
发明内容
因此，本发明的目的在于通过使用4种色光形成投影图像来提供与现有的投影机相比扩大了能显示的色域、不需要大口径且高价的投影透镜、光利用效率良好的小型的投影机。
为了达到上述目的，本发明的投影机具备发射包含可视光的光的光源；将从该光源射出的光束分离为4种色光的色分离光学系统；具备调制由该色分离光学系统进行了分离的4种色光中的某2种色光的第1二色调制电光装置和调制其它2种色光的第2二色调制电光装置的光调制光学系统；以及合成由上述光调制光学系统调制的4种色光的色合成光学系统；其特征在于第1和第2二色调制电光装置具备一对基板；在该一对基板间被夹持的电光材料；在一对基板中在色分离光学系统一侧的基板上设置的微透镜阵列；以及在另一个基板上形成的多个子像素电极，与微透镜阵列的各个微透镜对应地配置了多个子像素。
在此，作为色分离光学系统，可采用具备将从光源射出的光束分离为2种色光的第1色分离光学元件、将由该第1色分离光学元件分离的色光内的某一方的色光再分离为2种色光的第2色分离光学元件以及将由该第1色分离光学元件分离的另一方的色光再分离为2种色光的第3色分离光学元件的光学系统。而且，作为第1至第3色分离光学元件和色合成光学系统，可使用分色镜或分色棱镜。此外，作为二色调制电光装置，可使用采用液晶的液晶面板。
按照这样的本发明，由于光调制光学系统具备2个能独立地调制2种色光的二色调制电光装置，可独立地调制4种色光，于是，可使用4种色光形成色表现区域宽的投影图像。此外，由于以1个二色调制电光装置调制2种色光，独立地调制4种色光也同样，所需要的电光调制装置的数目是2个就可以，故容易实现投影机装置的小型化、轻量化、低成本化。本发明的二色调制电光装置具有为了独立地调制2种色光而以矩阵状具备邻接的2种子像素，和以阵列状在入射侧具备聚光并使光入射到该2种子像素上用的微透镜的结构，是被称为所谓的空间像素排列型的电光装置。由于使被色分离光学元件预先分离(方向分离)了行进方向的2种色光入射到该二色调制电光装置上并在每个子像素中独立地进行调制，故在色生成时没有必要使用滤色器等，可实现高的光利用效率。因而，可兼顾投影图像的高亮度化和色表现区域的扩大。
此外，在本发明的投影机中可具备在光源与光调制光学系统之间具备将从光源射出的非偏振的光变换为偏振方向达到了一致的光用的偏振变换光学系统。此时，希望从偏振变换光学系统射出的、偏振方向达到了一致的光是S偏振光。
作为本发明的投影机的二色调制电光装置，设想了在图像显示时需要偏振光的液晶面板。因而，通过采用上述那样的结构，由于可大幅度地提高来自光源的光的利用效率，故可实现投影图像的进一步的高亮度化。此外，通过将从偏振变换光学系统射出的光定为S偏振光，由于可提高色分离光学系统的色光分离面(分色面)或色合成光学系统的色光合成面(分色面)上的反射率，故可提高光利用效率以实现投影图像的进一步的高亮度化。
根据同样的观点，希望将由第1色分离光学元件反射而被分离的色光设定为包含从光源射出的色光内光强度最小的色光。由于可提高色分离光学系统或色合成光学系统中的反射面上的反射率，故在与其它的色光之间容易取得强度的平衡，实现了可扩大色表现区域而不使光利用效率下降，从而可实现在色平衡方面良好的明亮的投影图像。在使用了高压水银灯或金属卤化物灯作为光源灯的情况下，由于红色光显得不足，故希望设定成在被第1色分离光学元件反射并分离的色光中包含红色光。在使用了另外的金属卤化物灯或卤素灯及氙气灯作为光源灯的情况下，由于蓝色光显得不足，故希望设定成在被第1色分离光学元件反射并分离的色光中包含蓝色光。
在本发明的投影机具备偏振变换光学系统的情况下，希望在偏振变换光学系统的射出侧配置使特定的波长区域的光的偏振方向旋转大致90度的偏振旋转元件，将透过第1色分离光学元件的色光设定为P偏振光，将由第1色分离光学元件反射的其它色光设定为S偏振光。此外，希望在第2色分离光学元件的入射侧和/或第3色分离光学元件的入射侧配置使特定的波长区域的光的偏振方向旋转大致90度的偏振旋转元件，将透过第2色分离光学元件和/或第3色分离光学元件的色光设定为P偏振光，将由上述第2色分离光学元件和/或第3色分离光学元件反射的其它色光设定为S偏振光。
在色分离光学元件的色光分离面(分色面)上，一般来说，在P偏振光的情况下容易提高透射率，在入射的光为S偏振光的情况下，容易提高反射率。因而，通过采用上述那样的结构，由于透过各色分离光学元件的色光有选择地成为P偏振光(被各色分离光学元件反射的色光按原样为S偏振光不变)，可提高色分离光学元件中的色光的分离精度和效率，可兼顾色表现区域的扩大和亮度的提高。
作为本发明的投影机的二色调制电光装置，设想了在图像显示时需要偏振光的液晶面板。因而，希望在调制由色合成光学系统利用反射合成的色光的二色调制电光装置的入射侧或射出侧的至少一方的一侧配置了使特定的波长区域的光的偏振方向旋转大致90度的偏振旋转元件，将由色合成光学系统利用反射合成的色光设定为S偏振光。
由于从二色调制电光装置(液晶面板)射出的光是偏振光，故如果考虑色合成光学系统的色光合成面(分色面)上的光合成效率(透射率和反射率)，则如果将利用反射合成的色光定为S偏振光，将利用透射合成的色光定为P偏振光，则由于能以高的效率进行色光的合成，故可实现投影图像的高图像质量化和高亮度化。偏振旋转元件的配置场所可以是2个二色调制电光装置中的任一个中，可以是1个二色调制电光装置的入射侧，也可以是射出侧。由于配置场所与色合成光学系统的色光合成面(分色面)的配置形态有关，故总而言之将偏振旋转元件配置成让被色合成光学系统的色光合成面(分色面)利用反射合成的色光成为S偏振光即可。但是，在投影机不具备偏振变换光学系统且在二色调制电光装置的入射侧配置偏振旋转元件的情况下，必须将该偏振旋转元件配置在入射侧偏振片的射出侧。
在本发明的投影机中，可采用在第1和第2二色调制电光装置的各自的入射侧配置平行化透镜的结构。此外，也可在第2和第3色分离光学元件的入射侧配置平行化透镜。在前者的情况下，由于可利用平行化透镜的配置使入射到二色调制电光装置上的光束的角度分布变窄，故在投影图像的高图像质量化和高亮度化方面是有效的，在后者的情况下，由于可使入射到第2和第3色分离光学元件上的光束的角度分布变窄，故在第2和第3色分离光学元件中可进行精度高的色分离，在投影图像的色不匀的抑制、高图像质量化、高亮度化方面是有效的。
此外，在本发明的投影机具备偏振变换光学系统的情况下，可采用具备在光源与第1色分离光学元件之间配置的光束分割元件、在该第1色分离光学元件与第2色分离光学元件之间配置的聚光光学元件、偏振分离元件、偏振变换元件和重叠元件以及在该第1色分离光学元件与第3色分离光学元件之间配置的聚光光学元件、偏振分离元件、偏振变换元件和重叠元件的结构的偏振变换光学系统。如果作成具备这样的偏振变换光学系统的投影机，则可使投影机装置实现小型化，同时由于入射到各自的偏振变换光学系统上的色光的波长区域被限定，故特别是可有效地提高在从光源射出的色光内光强度最小的色光的偏振变换效率，可兼顾色表现区域的扩大和亮度的提高。
再者，在本发明的投影机中，希望第1和第2二色调制电光装置中的某一方调制蓝色光和短波长一侧的绿色光，另一方调制长波长一侧的绿色光和红色光。在此，可将短波长一侧的绿色光与长波长一侧的绿色光的边界波长一般地设定为515nm至540nm。再者，希望以下述方式设定了入射到各子像素上的色光的位置，使得在一方的二色调制电光装置中调制短波长一侧的绿色光的子像素与在另一方的二色调制电光装置中调制长波长一侧的绿色光的子像素在色光合成时不重叠。
如果考虑对于人眼能感知的色域来说，用采用了3原色光的现在的显示元件能表现的色域特别是在490nm至570nm附近的波长区域中很窄的情况和人眼对于绿色光的视觉灵敏度高的情况，通过将绿色光分离为2个波长区域并独立地调制该2个波长区域，可实现接近于人眼能感知的色域的较宽的色表现区域(色域)和视听时的高的解像度感。再者，在金属卤化物灯中在490nm至560nm附近具有强的2条亮线光谱线，在使用这样的灯作为光源使用的情况下，通过在2条亮线光谱线之间设定短波长一侧的绿色光与长波长一侧的绿色光的边界波长，由于可独立地调制带有蓝色的绿色光和带有黄色的绿色光，可进一步有效地扩大能表现的色域。
图1是表示本发明的第1实施例的投影机1的概略结构的示意图。
图2是表示第1实施例中的分色镜的分光特性的图。
图3是表示第1实施例中的光源灯11的发光光谱线分布的图。
图4是表示第1实施例中的二色调制液晶面板31的概略结构的剖面图。
图5是表示第1实施例中的二色调制液晶面板31、32的像素排列和2个二色调制液晶面板31、32间的像素的对应关系的说明图。
图6是表示第1实施例中的分色棱镜51的分光特性的概略图。
图7是表示第1实施例中的投影机1的色表现区域的色度图。
图8是表示本发明的第2实施例的投影机2的概略结构的示意图。
图9是表示本发明的第2实施例的另一投影机3的概略结构的示意图。
具体实施例方式
以下根据
本发明的一实施例。
1.第1实施例在图1中示出本发明的第1实施例的投影机的概略结构。该投影机1大体具备下述部分而构成射出包含可见光的光的光源10；将来自光源的光分离为波长区域不同的4种色光的色分离光学系统20；根据来自外部的图像信息进行光调制以对每种色光形成光学像的光调制光学系统30；合成所形成的光学像以形成一个彩色图像的色合成光学系统50；以及在投射面(图中未表示)上投射并显示所形成的彩色图像的投影光学系统60。
再有，虽然在图1中省略了图示，但在光源10与光调制光学系统30之间可配置使入射到光调制光学系统30上的照明光束的强度分布变得均匀用的均匀照明光学系统，将来自光源的光变换为偏振方向达到了一致的偏振光束用的偏振变换光学系统等。均匀照明光学系统是将从光源10射出的光束分割为多个部分光束并以均匀的亮度照明后述的二色调制液晶面板31、32的图像形成区域的光学系统，可包含透镜阵列或棒状透镜等来构成。偏振变换光学系统是将从光源10射出的非偏振的光束分离为偏振方向正交的2种偏振光束并使一方的偏振光束的偏振方向旋转后与另一方的偏振光束的偏振方向达到一致并射出的光学系统，可包含偏振分离膜、反射膜和相位差片等来构成。
光源10具备以放射状射出光线的光源灯11和使从光源灯11发射的光线朝向一个方向射出的反射镜12。再有，作为光源灯11，可使用高压水银灯、金属卤化物灯、卤素灯、氙气灯等，此外，作为反射镜12，可使用抛物面反射镜、椭圆面反射镜、球面反射镜等。
色分离光学系统20具备作为第1色分离光学元件的分色镜21；作为第2色分离光学元件的分色镜22G1；反射镜22B；作为第3色分离光学元件的分色镜23R；以及反射镜23G2。3种分色镜21、22G1、23R具备使特定的波长区域的色光透射或反射的波长选择性，通过在玻璃等的透明基板上形成电介质多层膜来实现。在图2(A)～(C)中示出分色镜21、22G1、23R的分光特性的一例。在此，图2(A)示出了分色镜21的分光特性，图2(B)示出了分色镜22G1的分光特性，图2(C)示出了分色镜23R的分光特性。在此，作为图中的蓝色光B，设想了大致380nm～495nm的波长区域的光，作为图中的绿色光G1，设想了大致495nm～525nm的波长区域的光，作为图中的绿色光G2，设想了大致525nm～585nm的波长区域的光，作为图中的红色光R，设想了大致585nm～780nm的波长区域的光，但不限定于此。但是，如果考虑对于人眼能感知的色域来说用采用了3原色光的现在的显示元件能表现的色域特别是在490nm至570nm附近的波长区域中很窄的情况和人眼对于绿色光的视觉灵敏度高、绿色光对观赏时的解像度感产生较大的影响的情况，希望将绿色光分离为2个波长区域并分别独立地调制该2个波长区域的光。作为光源灯11的一例，在图3中示出金属卤化物灯的发光光谱线分布。在该光源灯的情况下，由于在与绿色光对应的波长区域内的505nm附近和545nm附近存在强的亮线光谱线，故通过将包含505nm的亮线的色光定为短波长侧的绿色光G1(带有蓝色的绿色光)、将包含545nm的亮线的色光定为长波长侧的绿色光G2(带有黄色的绿色光)并分别独立地对这2种绿色光G1、G2进行调制，实现了色表现区域的扩大和视听时的解像度感的提高。
分色镜21使蓝色光B和短波长侧的绿色光G1透射并使红色光R和长波长侧的绿色光G2反射，分色镜22G1使短波长侧的绿色光G1反射并使蓝色光B透射，分色镜23R使红色光R反射并使长波长侧的绿色光G2透射，但不限定于此。各分色镜的分光特性也依赖于其配置状态。例如，分色镜22G1也可使蓝色光B反射并使短波长侧的绿色光G1透射。但是，此时必须在与图1相反的方向上拉开两者的间隔来配置分色镜22G1和反射镜22B(在图1中，如在沿+X和+Z方向上那样，两者的间隔逐渐变窄了)。此外，由于反射镜22B和反射镜23G2是为了分别使透过了分色镜22G1和分色镜23R的色光在规定的方向上反射的目的而配置的，故可以是一般的反射镜，但基于容易提高反射率并通过有选择地只反射特定的波长区域的色光从而容易提高照明光的色纯度等的原因，希望配置分色镜。
利用分色镜21将从光源10射出的光束分离为蓝色光B和短波长侧的绿色光G1以及红色光R和长波长侧的绿色光G2。对于透过了分色镜21的蓝色光B和绿色光G1来说，在用分色镜22G1分离为蓝色光B和绿色光G1后，绿色光G1直接入射到后述的第1二色调制液晶面板31(第1二色调制电光装置)上，蓝色光B经反射镜22B入射到相同的第1二色调制液晶面板31上。另一方面，对于被分色镜21反射了的红色光R和长波长侧的绿色光G2来说，在用分色镜23R分离为红色光R和绿色光G2后，红色光R直接入射到后述的第2二色调制液晶面板32(第2二色调制电光装置)上，绿色光G2经反射镜23G2入射到相同的第2二色调制液晶面板32上。再有，也可作成使分色镜22G1与反射镜22B的前后关系与本实施例相反的形态，即来自分色镜21的色光作为在最初入射到反射镜22B上的形态(当然，与其对应地必须将反射镜22B设为分色镜)。这些前后关系应考虑来自光源的色光强度比来决定，如果将分色镜配置成使光强度相对地弱的色光在最初被反射，则由于可使色光间的强度比变得平衡，故在能表现的色域的扩大方面是有效的。而且，根据同样的原因，对于分色镜2 3R与反射镜23G2的前后关系，也可进行与本实施例的前后关系相反的配置。
在此，使被分色镜23R和分色镜21反射并分离的色光成为从光源射出的色光内光强度最小的色光或包括该色光的多条色光。其原因是，一般来说，由于在分色镜中与透射率相比，容易提高反射率，故如果作成使光强度最小的色光反射的形态，则可有效地降低该色光的光损耗，可取得色平衡而不使其它的色光的光强度下降。由此，可兼顾光利用效率的提高和色表现区域的扩大，实现了在色平衡方面良好的明亮的投影图像。具体地说，以降低红色光的损耗为目的，把2个分色镜21、23R设定为反射红色光。这是因为，在本实施例中作为光源灯把设想了使用红色光的强度相对地小的金属卤化物灯或高压水银灯。根据同样的观点，将分色镜23R配置在反射镜23G2的跟前(接近于光源一侧)。再有，关于将分色镜22G1配置在反射镜22B的跟前(接近于光源一侧)的原因在后面叙述。
将分色镜22G1和反射镜22B配置成从光源10射出的光束以互不相同的角度入射。具体地说，设定了在XZ平面上相对于入射光束的中心轴成45°那样的假想的轴Q1，以该轴为对称轴，在彼此为非平行的状态下配置2个分色镜22G1、22B(在图1中，如在沿+X和+Z方向上，两者的间隔逐渐变窄了)。因而，被分色镜22G1反射的绿色光G1和被反射镜22B反射的蓝色光B在XZ平面上被分离为稍微不同的2个方向而射出。同样，也设定了在XZ平面上相对于入射光束的中心轴构成45°那样的假想的轴Q2，以该轴为对称轴，在彼此为非平行的状态下配置分色镜23R和反射镜23G2。因而，被分色镜23R反射的红色光R和被反射镜23G2反射的绿色光G2也在XZ平面上被分离为稍微不同的2个方向而射出。再有，分色镜22G1和反射镜22B以及分色镜23R和反射镜23G2的配置状态不限于上述的状态。在图1中作成了如在+X和+Z方向上两者的间隔逐渐变窄了的配置形态，但也可相反地作成如在+X和+Z方向上两者的间隔逐渐扩展了的配置形态。
其次，光调制光学系统30具备调制色光的2个二色调制电光装置、即第1二色调制液晶面板31(第1二色调制电光装置)和第2二色调制液晶面板32(第2二色调制电光装置)。这些第1和第2二色调制液晶面板31、32基本上是相同的液晶面板，根据所调制的色光的差异来区别，在本实施例中，在第1二色调制液晶面板31中调制蓝色光B和绿色光G1，在第2二色调制液晶面板32中调制红色光R和绿色光G2。
二色调制液晶面板31、32是根据来自未图示的外部的图像信息分别独立地对已入射的2种色光进行光调制以形成光学像、从与入射侧相反的一侧射出调制光束的透射型的液晶面板，在图4中示出其剖面结构。图4以第1二色调制液晶面板31为例来示出。关于该二色调制液晶面板31、32的概略结构，如果除了具有后述的子像素316A1、316A2(由于所谓子像素意味着利用后述的子像素电极驱动的像素，故附以与子像素电极相同的编号)或与其对应的微透镜的方面外，则与一般的单色用液晶面板大致相同。即，在用玻璃等构成的2片透明的基板(对置基板311、TFT基板312)之间封入作为电光材料的扭曲向列(TN)液晶313，在对置基板311上形成共用电极314和对不需要的光进行遮光用的黑色矩阵315等，在TFT基板312上形成2种子像素电极316A1、316A2和作为开关元件的薄膜晶体管(TFT)317等，如果经TFT317对像素电极316A1、316A2施加电压，则驱动在与共用电极314之间被夹持的液晶313。
再者，在对置基板311的入射侧配置了以矩阵状具备多个单位微透镜331A而构成的微透镜阵列331。利用刻蚀等在玻璃板上形成单位微透镜331A，经具有与被形成了微透镜阵列的玻璃板不同的折射率的树脂层(粘接剂)332粘接到对置基板311上。微透镜阵列331分别对用分色镜22G1、反射镜22B、分色镜23R、反射镜23G2等分离了射出方向的2种色光进行聚光，分别使其在空间中分离了的状态下入射到对应的子像素316A1、316A2上。即，这样来构成微透镜阵列331，使得一个单位微透镜331A与沿Z方向上并排的一对子像素316A1、316A2相对应。因此，将一对子像素316A1、316A2并排的方向设定为用分色镜22G1、反射镜22B、分色镜23R、反射镜23G2等分离色光的射出方向的方向(图1的XZ平面内的方向)。在此，设定为单位微透镜331A的Z方向的宽度尺寸与子像素316A1的Z方向的宽度尺寸和子像素316A2的Z方向的宽度尺寸的和大致相等，Y方向的长度尺寸与子像素316A1、316A2(2个子像素的长度尺寸互相相等)的Y方向的长度尺寸大致相等。再有，为了使白色显示时的像素形状为正方形，将子像素316A1、316A2的Z方向的宽度尺寸设定为Y方向的长度尺寸的大致1/2，并不一定局限于此种设定。
而且，在TFT基板312的光射出侧和微透镜阵列331的光入射侧分别配置了偏振片342、341。再有，关于液晶313，不仅可使用TN型的，而且可使用强介电型或反强介电型、水平取向型或垂直取向型等的各种液晶。
如图1和图4中所示，用分色镜22G1和反射镜22B分离了射出方向的绿色光G1和蓝色光B以不同的角度入射到第1二色调制液晶面板31上的各单位微透镜331A上。入射到该各单位微透镜331A上的绿色光G1和蓝色光B分别以不同的角度从单位微透镜331A射出，在沿Z方向上并排的一对子像素316A1、316A2附近被分成各种色光并分别聚光。然后，绿色光G1和蓝色光B在由各自的子像素316A1、316A2进行了调制后，以相对于与第1二色调制液晶面板31的光束入射端面正交的方向(图4的X方向)互相为大致对称的角度被射出。同样，用分色镜23R和反射镜23G2分离了射出方向的红色光R和绿色光G2在由第2二色调制液晶面板32各自的子像素316A1、316A2进行了调制后，以相对于与光束入射端面正交的方向互相为大致对称的角度被射出。
在图5中示出第1和第2二色调制液晶面板31、32中的子像素的排列状态和第1和第2二色调制液晶面板31、32间的子像素的相对的对应关系。分别以棋盘格状配置了在第1二色调制液晶面板31中蓝色光B入射的图像形成区域(子像素)316B和绿色光G1入射的图像形成区域(子像素)316G1以及在第2二色调制液晶面板32中绿色光G2入射的图像形成区域(子像素)316G2和红色光R入射的图像形成区域(子像素)316R。而且，在2个二色调制液晶面板31、32间，分别配置成图像形成区域(子像素)316B与图像形成区域(子像素)316G2相对应(在空间上重叠)、图像形成区域(子像素)316G1与图像形成区域(子像素)316R相对应(在空间上重叠)。由于人眼对于绿色光的视觉灵敏度高，故通过配置成图像形成区域(子像素)316G1不与图像形成区域(子像素)316G2相对应(在空间上不重叠)，可预期能提高投影图像的解像度感的效果。为了取得这样的像素间的配置关系而设定了分色镜22G1与反射镜22B的配置关系。
如图1中所示，色合成光学系统50具备分色棱镜51，合成从第1和第2二色调制液晶面板31、32射出的调制后的4种色光以形成彩色图像。在此，在图6中示出分色棱镜51的分光特性。在该分色棱镜51中，利用大致为三角柱状的2个透明介质构成夹持了分色面的立方体形状，在平面视图为正方形的对角线部分上形成了使蓝色光B和短波长侧的绿色光G1透射并使长波长侧的绿色光G2和红色光R反射的电介质多层膜52。然后，从投影透镜(投影光学系统)60射出用色合成光学系统50合成了的彩色图像并放大投射到未图示的屏幕上。
按照这样的第1实施例，具有以下那样的效果。由于光调制光学系统30包含第1和第2二色调制液晶面板31、32而被构成，故可使用4种色光形成色表现区域宽的投影图像。在图7中示出投影机1的色表现区域。在本发明的投影机1中，特别是由于独立地调制2种绿色光G1、G2，故表明与使用了现有的3原色的投影机相比实现更宽的色表现区域是可能的。
与上述的4种投影机比较的情况下，由于可不使用滤色器来生成色光，故与时间分割型投影机或并列配置像素排列型投影机相比可形成高精细且明亮的投影图像，此外，由于可缩短二色调制液晶面板与投影透镜之间的距离，故与面分割型投影机相比容易谋求装置的小型化和投影图像的高亮度化。再者，由于没有必要使用大口径的高价的透镜，故与空间像素排列型投影机相比容易谋求装置的小型化和低成本化。即，按照本发明，具有可实现光利用效率相对地高、在投影图像的高亮度化、装置的小型化和低成本化方面良好的投影机的效果。
特别是，如果与使用了具有与本发明类似的结构的电光装置的空间像素排列型投影机详细地相比，则如果电光装置的大小是相同的，则与现有的对于4个子像素具备1个微透镜的四色调制液晶面板相比，在使用了第1和第2二色调制液晶面板31、32的情况下，可将子像素316A1、316A2的沿Z方向(入射的色光被进行方向分离了的方向)的尺寸增加为2倍。而且，如果子像素316A1、316A2变大，则由于可将在前级配置的单位微透镜331A的焦距相对地设定得较长，故可减小由微透镜得到的最大聚光角α，可减小从第1和第2二色调制液晶面板31、32射出的光束的最大发散角α(图4)(α＜α0)。再者，相对于现有的四色调制液晶面板来说，因为入射到第1和第2二色调制液晶面板31、32上的色光是2种，故用色分离光学系统20进行方向分离，也可减小从不同的方向入射到第1和第2二色调制液晶面板31、32上的各色光的分离角β(图4)(β＜β0)。
因而，对于现有的使用了四色调制液晶面板的空间像素排列型投影机来说，在本发明的使用了2个二色调制液晶面板的投影机中，由于可减小从光调制光学系统射出的发散光的最大发散角(α+β＜α0+β0)，故即使在使光调制光学系统(电光装置)实现了高精细化的情况下，也没有必要使用F值小的大口径且高价的投影透镜，就可投射并显示明亮的、在色平衡方面良好的的彩色图像而不使光利用效率下降。相反，如果将从第1和第2二色调制液晶面板31、32射出的发散光的最大发散角(α+β)设定为与四色调制液晶面板的情况相同，则由于可进一步缩短微透镜的焦点距离，和进一步减小入射到子像素316A1、316A2上的光束的直径，故可提高对子像素的色光的入射效率，同时可防止通过对邻接的其它的子像素入射不需要的色光而产生的混色的发生，可投射并显示具有良好色再现性的没有色渗透的彩色图像。
此外，与四色调制液晶面板相比，由于在二色调制液晶面板中子像素316A1、316A2的尺寸较大，故可降低在与包含光源的照明光学系统、投影透镜等之间确保高的相对位置精度的必要性，相应地投影机的制造变得容易。
在本发明的投影机中，由于在色分离光学系统20中采用了分色镜21、22G1、23R和反射镜22B、23G2，故容易谋求投影机的轻量化和低成本化。另一方面，在色合成光学系统50中采用了分色棱镜51。一般来说，由于分色面的色光的分离、合成特性对于入射的入射角具有依存性，故为了进行效率良好的色光的分离、合成，减小光的入射角是重要的。因而，在使用块状的分色棱镜51的情况下，由于分色面被其折射率比空气高的介质所夹持，故可更相应地减小光的入射角度，并可进行效率良好的色光的合成和减少合成时的色不匀的发生。此外，由于在分色面上难以发生扭曲，故不使投影图像发生变形，实现了投影图像的高图像质量化。
再者，在色分离光学系统20中采用了使红色光反射而分离的形态。一般来说，由于在分色镜中容易提高反射率，故即使在将红色光的强度相对地小的光源灯(例如，金属卤化物灯的一部分或高压水银灯)用作光源的情况下，也可不浪费地有效地利用红色光。由此，在与其它的色光之间容易取得强度的平衡，可扩大色表现区域而不使光利用效率下降，实现了在色平衡方面良好的明亮的投影图像。此外，由于在色合成光学系统50中采用以不让2种绿色光G1、G2重叠的方式合成各色光，故如果考虑人眼的视觉特性上观察者的对于解像度的感觉容易受到绿色光的解像度的影响这一点，则在视听时可实现高的解像度感。
2.第2实施例其次，在图8中示出本发明的第2实施例的投影机的概略结构。该投影机2既具有与第1实施例的投影机1大致同样的结构，又具备将来自光源10的光变换为特定的偏振光束的偏振变换光学系统和使从光调制光学系统30射出的偏振光束的偏振状态变化的偏振旋转元件，这一点是与投影机1相比主要的不同点。因而，在包含本实施例的以后的说明中，对于与已说明的部分为同一的部分附以同一标号，省略或简化其说明。
在光源10与作为第1色分离光学元件的分色镜21之间配置了具备第1透镜阵列71(光束分割元件)、第2透镜阵列72(聚光光学元件)、偏振光束分离器阵列73(偏振分离元件)、相位差片阵列74(偏振变换元件)和重叠透镜75(重叠元件)等的偏振变换光学系统70。再有，由于在此使用的偏振变换光学系统70例如是在专利文献1中已公开了其细节的公知的技术，故省略详细的说明。利用第1和第2透镜阵列71、72和偏振光束分离器阵列73将从光源10射出的非偏振的光束分离为偏振方向正交的P偏振的偏振光束组和S偏振的偏振光束组，利用相位差片阵列74使已被分离的P偏振的偏振光束组的偏振方向旋转，变换为S偏振的偏振光束组。由于S偏振的偏振光束组不受到因相位差片阵列74引起的偏振方向的旋转作用，故使从相位差片阵列74射出的光束全部在S偏振上达到一致。利用重叠透镜75使这些偏振光束的射出方向朝向作为照明对象的第1和第2二色调制液晶面板31、32，向色分离光学系统20进行入射。
在分色镜22G1和反射镜22B以及分色镜23R和反射镜23G2的各射出侧配置了平行化透镜80，使从重叠透镜75射出的各偏振光束相对于其中心轴聚光，在大致实现了平行的状态下使其入射到第1和第2二色调制液晶面板31、32上。一般来说，液晶面板在显示特性中具有入射角依存性，但通过配置平行化透镜80，可使入射到第1和第2二色调制液晶面板31、32上的光束的角度分布变窄。由此，可减少显示特性的入射角依存性，实现了投影图像的高图像质量化和高亮度化。此外，由于提高单位微透镜331A的聚光性，可形成更小的聚光点，可防止通过对邻接的其它的子像素入射不需要的色光而产生的混色的发生，可投射并显示在色再现性方面良好的没有色渗透的彩色图像。
将利用偏振变换光学系统70入射到第1至第3色分离光学元件上的光束定为S偏振。因此，在分色镜21、22G1、23R中容易实现高的反射率。特别是在分色镜21、23R中作成了使S偏振的红色光反射的形态，即使在将红色光的强度相对地小的光源灯(例如，金属卤化物灯的一部分或高压水银灯)用作光源的情况下，也可不浪费地有效地利用红色光。由此，在与其它的色光之间容易取得强度的平衡，可扩大色表现区域而不使光利用效率下降，实现了在色平衡方面良好的明亮的投影图像。
利用第2和第3色分离光学元件进行了方向分离的各色光与投影机1的情况同样，入射到第1或第2二色调制液晶面板31、32上，根据来自未图示的外部的图像信息分别独立地被进行光调制，根据图像信息部分地变换为P偏振光束后射出。在此，在第2二色调制液晶面板32的射出侧配置了使偏振方向大致旋转90度的偏振旋转元件40，在将来自第2二色调制液晶面板32的调制后的P偏振光束变换为S偏振光束后，入射到色合成光学系统50上。
在色合成光学系统50中合成从第1和第2二色调制液晶面板31、32射出的调制后的4种色光以形成彩色图像。来自第1二色调制液晶面板31的色光作为透射光被合成，此外，来自第2二色调制液晶面板32的色光作为反射光被合成，但此时，来自第1二色调制液晶面板31的色光是P偏振光束，来自第2二色调制液晶面板32的色光为S偏振光束。与分色镜同样，即使在分色棱镜51中也容易提高S偏振的反射率，如果考虑这一点，则由于在色合成光学系统50中能以高的效率进行色光的合成，故可实现投影图像的高图像质量化和高亮度化。再有，关于偏振旋转元件40的配置形态不限于本实施例。即，也可作成在第2二色调制液晶面板32的入射侧配置偏振旋转元件40、将来自色分离光学系统20的S偏振光束变换为P偏振光束后使其入射到二色调制液晶面板32上的形态。再者，根据色合成光学系统50的配置的方法，也可将偏振旋转元件40配置在第1二色调制液晶面板31的入射侧或射出侧。总而言之，适当地配置偏振旋转元件40，使得在色合成光学系统50中作为反射光处理的光束至少成为S偏振光束即可。
按照这样的第2实施例。除了有上述第1实施例中已叙述的效果外，还具有以下那样的效果。即，通过将入射到色分离光学系统20上的光束定为S偏振光束，此外，在色合成光学系统50中作为反射光处理的光束至少定为S偏振光束，实现了高精度、高效率的色分离和色合成，从而实现了投影图像的高图像质量化和高亮度化。由于现在实用化了的光源灯都没有理想的色平衡，故必须降低特定的色光的强度、牺牲亮度来取得色平衡，但依据本发明的上述结构，由于可提高色分离和色合成时的光利用效率，故可形成色表现区域宽的投影图像而不牺牲亮度。
(变形例1)
也可使用块状的分色棱镜来构成色分离光学系统20，以代替第1实施例和第2实施例的分色镜21、22G1、23R和反射镜22B、23G2。此时，如上所述，由于可比较地减小对于分色面的光的入射角度，故可进行效率高的色光的分离和减少分离时的色不匀的发生。此外，由于在分色面上难以发生扭曲，故可准确地进行色光的方向分离，在可提高对子像素的色光的入射效率的同时，可防止通过对邻接的其它的子像素入射不需要的色光而产生的混色的发生，可投射并显示在色表现性方面良好的没有色渗透的彩色图像。再者，由于通过用折射率比空气大的介质(例如玻璃)充满分色镜的前后可减少色分离光学系统20中的光束的光路偏移，故光学系统的配置变得容易，适合于装置的小型化。
此外，也可使用板状的分色镜来构成色合成光学系统50，以代替分色棱镜51。此时，在色合成光学系统的轻量化和低成本化方面是有效的。
(变形例2)在第2实施例中，也可在分色镜22G1和反射镜22B以及分色镜23R和反射镜23G2的各入射侧配置平行化透镜80。通过在该位置上配置平行化透镜80，从重叠透镜75射出的各偏振光束相对于其中心轴聚光，在大致实现了平行化的状态下入射到分色镜22G1、23R上。由于分色镜在分光特性中具有入射角依存性，故通过使用平行化透镜80，可使入射到分色镜22G1、23R上的光束的角度分布变窄，在第2和第3色分离光学元件中可进行精度高的色分离，可实现对投影图像的色不匀的抑制、高图像质量化和高亮度化。为了减少分色镜中的分光特性的入射角依存性，故也可作成分光特性根据面内的位置而不同的倾斜型的分色镜，但这种分色镜的价格很高。通过在第2和第3色分离光学元件的入射侧配置平行化透镜80，由于没有必要使用高价的倾斜型的分色镜，故在光学系统的低成本化方面是合适的。
(变形例3)第2实施例中的偏振变换光学系统70的配置的方法不限于此(参照图8)。例如，如图9中所示，也可作成在分色镜21的入射侧配置第1透镜阵列71、此外在2个部位的射出侧分别配置第2透镜阵列72、偏振光束分离器阵列73、相位差片阵列74和重叠透镜75等的形态。此时，虽然所使用的部件数目增加了，但由于可缩短光源10与光调制光学系统30的距离，故可实现光学系统的小型化。此外，与图8的使用一个偏振光束分离器阵列的形态相比，由于入射到2个部位的偏振光束分离器阵列73和相位差片阵列74上的色光的波长区域被限定而使频带区域变窄，故可缓和光学性能的波长依存性，能以更高的效率实现偏振变换。再有，在第2实施例中使用了具备透镜阵列作为光束分割元件的偏振变换光学系统70，但也可代之以使用具备棒状(例如玻璃棒)或管状(例如管状反射镜)的导光体的偏振变换光学系统。
(变形例4)在第2实施例中使用的偏振旋转元件中，有具有使特定的波长区域的光的偏振方向旋转的特性的元件。如果在偏振变换光学系统70与分色镜21(第1色分离光学元件)之间配置这种偏振旋转元件，则由于有选择地只将透过分色镜21的色光变换为P偏振光束，故可提高分色镜21中的色光的分离精度和效率，可兼顾色表现区域的扩大和亮度的提高。此外，如果在分色镜21(第1色分离光学元件)与分色镜22G1(第2色分离光学元件)之间配置这种偏振旋转元件，则由于可有选择地只将透过分色镜22G1的色光变换为P偏振光束，故可提高分色镜22G1中的色光的分离精度和效率，可兼顾色表现区域的扩大和亮度的提高。再者，如果在分色镜21(第1色分离光学元件)与分色镜23R(第3色分离光学元件)之间配置这种偏振旋转元件，则可得到与上述同样的作用和效果。
(其它的变形例)本发明不限定于上述的各实施例，也包含以下示出的变形。在上述的各实施例中，在使用透射型液晶面板的投影机中采用了本发明，但不限定于此。此外，作为光调制光学系统，采用了使用TFT作为开关元件的第1和第2二色调制液晶面板31、32，但不限定于此。即，即使是相同的液晶面板，也可以是将TFD(薄膜二极管)用作开关元件的液晶面板。进而，可构成即使使用PDLC(高分子分散型液晶)面板也能预期达到同样的效果的投影机，总而言之，可在具备调制来自光源的射出光束的光调制光学系统的各种投影机中采用本发明。此外，在上述的各实施例中，将第1和第2二色调制液晶面板31、32的像素排列设定为矩阵状，但不限于此，也可采用条型、三角形型等各种像素排列。
再者，在上述的各实施例中，采用了反射红色光R和长波长侧的绿色光G2的分色镜21作为第1色分离光学元件，但不限定于此。即，根据光源、光调制光学系统、色合成光学系统的特性适当地设定被第1色分离光学元件反射的色光即可。例如，在使用蓝色光的相对强度小的卤素灯、氙气灯和某种金属卤化物灯等作为光源灯的情况下，如果采用第1色分离光学元件使蓝色光B和短波长测绿色光G1反射的形态，则容易保持色平衡且容易扩大色表现区域。此外，这一点对于用第2和第3色分离光学元件在最初反射并分离的色光来说，也是合适的。即，如果将蓝色光B定为用第2或第3色分离光学元件在最初反射并分离的色光，则容易保持色平衡且容易扩大色表现区域。
除此以外，关于本发明的实施时的具体的结构和形状等，可在能达到本发明目的的范围内作成其它的结构。
按照上述那样的本发明的投影机，由于光调制光学系统具备2个二色调制电光装置，故可使用4种色光形成色表现区域宽的投影图像。此外，如果与用现有的投影机处理4种色光的情况相比，相对于时间分割型投影机或并列配置像素排列型投影机来说，在投影图像的高精细化和投影图像的高亮度化方面是有利的，此外，相对于面分割型投影机来说，在装置的小型化方面是有利的，进而，相对于类似形态的空间像素排列型投影机来说，在装置的小型化和低成本化方面是有利的。即，按照本发明，可实现光利用效率相对地高的、在投影图像的高亮度化、装置的小型化和低成本化方面良好的、色表现区域宽的投影机。
权利要求
1.一种投影机，是具备发射包含可视光的光的光源；将从该光源射出的光束分离为4种色光的色分离光学系统；具备调制由该色分离光学系统分离的4种色光中的某2种色光的第一2色调制电光装置和调制其它2种色光的第二2色调制电光装置的光调制光学系统；以及合成由上述光调制光学系统调制的4种色光的色合成光学系统的投影机，其特征在于上述第一和第二2色调制电光装置具备一对基板；在该一对基板间被夹持的电光材料；在上述一对基板中在上述色分离光学系统侧的基板上设置的微透镜阵列；以及在另一方基板上形成的多个子像素电极，与上述微透镜阵列的每个微透镜对应地配置了上述多个子像素。
2.如权利要求1中所述的投影机，其特征在于上述色分离光学系统具备将从上述光源射出的光束分离为2种色光的第一色分离光学元件；将由该第一色分离光学元件进行了分离的色光内的某一方的色光再分离为2种色光的第2色分离光学元件；以及将由上述第一色分离光学元件分离的另一方的色光再分离为2种色光的第三色分离光学元件。
3.如权利要求2中所述的投影机，其特征在于在上述光源与上述光调制光学系统之间，具备将从上述光源射出的非偏振的光变换为偏振方向一致的光用的偏振变换光学系统。
4.如权利要求3中所述的投影机，其特征在于从上述偏振变换光学系统射出的偏振方向一致的光是S偏振光。
5.如权利要求1～3的任一项中所述的投影机，其特征在于由上述第一色分离光学元件反射而被分离的色光，包含从上述光源射出的色光内光强度最小的色光。
6.如权利要求3或4中所述的投影机，其特征在于在上述偏振变换光学系统的射出侧配置了使特定波长区域的光的偏振方向旋转大致90度的偏振旋转元件，将从上述第一色分离光学元件透过的色光设定为P偏振光，将从上述第一色分离光学元件反射的其它色光设定为S偏振光。
7.如权利要求3或4中所述的投影机，其特征在于在上述第2色分离光学元件的入射侧和/或上述第三色分离光学元件的入射侧配置了使特定波长区域的光的偏振方向旋转大致90度的偏振旋转元件，将从上述第2色分离光学元件和/或上述第三色分离光学元件透过的色光设定为P偏振光，将从上述第2色分离光学元件和/或上述第三色分离光学元件反射的其它色光设定为S偏振光。
8.如权利要求1～4的任一项中所述的投影机，其特征在于在调制由上述色合成光学系统利用反射合成的色光的2色调制电光装置的入射侧或射出侧的至少一方侧配置了使特定的波长区域的光的偏振方向旋转大致90度的偏振旋转元件，将由上述色合成光学系统利用反射合成的色光设定为S偏振光。
9.如权利要求1～3的任一项中所述的投影机，其特征在于在上述第一和第二2色调制电光装置的各自的入射侧配置了平行化透镜。
10.如权利要求3中所述的投影机，其特征在于在上述第二和第三色分离光学元件的入射侧配置了平行化透镜。
11.如权利要求3中所述的投影机，其特征在于上述偏振变换光学系统具备下述部分而被构成在上述光源与上述第一色分离光学元件之间配置的光束分割元件；在上述第一色分离光学元件与上述第2色分离光学元件之间配置的聚光光学元件、偏振分离元件、偏振变换元件和重叠元件；以及在上述第一色分离光学元件与上述第三色分离光学元件之间配置的聚光光学元件、偏振分离元件、偏振变换元件和重叠元件。
12.如权利要求1～11的任一项中所述的投影机，其特征在于上述第一和第二2色调制电光装置中的某一方调制蓝色光和短波长侧的绿色光，另一方调制长波长侧的绿色光和红色光。
13.如权利要求12中所述的投影机，其特征在于将上述短波长侧的绿色光与上述长波长侧的绿色光的边界波长大体设定为515nm至540nm。
14.如权利要求12或13中所述的投影机，其特征在于在上述一方的2色调制电光装置中调制短波长侧的绿色光的子像素与在上述另一方的2色调制电光装置中调制长波长侧的绿色光的子像素在色光合成时成为不重叠式地，设定了入射到各子像素上的色光的位置。
全文摘要
提供通过使用4种色光形成投影图像来扩大投影图像的色表现区域且在光利用效率方面良好的小型的投影机。在具备光源10、色分离光学系统20、光调制光学系统30和色合成光学系统50的投影机中，色分离光学系统20生成射出方向不同的4种色光，光调制光学系统30具备调制由色分离光学系统进行了分离的4种色光中某2种色光的第1二色调制电光装置31和调制其它2种色光的第2二色调制电光装置32，在任何一个二色调制电光装置中在色分离光学系统一侧的基板上都具有微透镜阵列，具备与各自的微透镜对应的多个子像素。
文档编号G03B21/00GK1501120SQ20031011347
公开日2004年6月2日 申请日期2003年11月11日 优先权日2002年11月15日
发明者伊藤嘉高 申请人:精工爱普生株式会社