JP2002268003A

JP2002268003A - 表示装置

Info

Publication number: JP2002268003A
Application number: JP2001068110A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kameyama; 健司亀山; Kazuya Miyagaki; 一也宮垣
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】回折による輝度の低下やコントラスト比の低
下を抑制する。【解決手段】コヒーレンス性を持つ光を発する光源と
変調用の空間光変調素子とを備える表示装置において、
空間光変調素子の開口率を７０％以上とした。少なくと
も１次の回折像強度より４次の回折像強度が低くなるこ
とが望ましいことを考慮すると、実験結果から、開口率
が７０％以上であれば、回折による画像劣化を低減させ
得ることが分かる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロジェクタ等の
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、超高圧水銀ランプやメタルハラ
イドランプ等を光源とし、光を空間光変調素子で変調す
るプロジェクタが数多く商品化されている。これに対
し、ＬＥＤ、ＬＤ（半導体レーザー）等を光源とした表
示装置が考えられる。特に、ＬＤを光源とした表示装置
では、光が強い指向性と、特定波長を持つことから光の
利用効率が高いことが予想される。一方、コヒーレンス
性から規則正しい配列をもつ空間光変調素子では、回折
が起こる。回折が起こると、本来光が到達しない部分に
光が到達することで、コントラスト比の低下と、本来光
が照射される部分からの光量低下による、最高輝度の低
下がおこる。

【０００３】これらの点について、さらに詳細に説明す
る。ＬＤ等のレーザーを照明光源とし、空間光変調素子
をその変調手段として使用した表示装置では、レーザー
による狭い半値幅による演色性の高さと、Ｒ，Ｇ，Ｂ各
３原色の波長が互いに充分離れていることによる混色の
回避で、高画質が実現できる。これに対して、従来の超
高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等を光源として
使用した場合、光は原理的に強度の異なる連続したスペ
クトル成分をもつ。分光にはダイクロイック膜を使用す
るが、ランプのような有限の大きさをもった光源を完全
な平行光線にすることは不可能なため、ダイクロイック
膜へ到達した光には、さまざまな角度成分が存在する。
ダイクロイック膜の分光特性は角度依存性があるため、
この分光された光は波長成分に部分的なバラツキを含む
ことになる。結果として、スクリーン上では、色むらが
発生してしまう。

【０００４】光学系全体については、光源としてランプ
を使用した場合、光量の均一化のため、光学部品を多用
する必要が有るのに対し、レーザー光は指向性が高いた
め、比較的簡便な光学系で回折だけで広がる略平行な光
軸を得ることが可能である。今後、ランプに変わる光源
として、レーザーは注目されると考えられる。

【０００５】レーザー光の特徴にコヒーレンス性が高い
ことが挙げられる。コヒーレント光を空間光変調素子に
照射することで、略平行な光を空間光変調素子に照射す
ることが可能となる。光を分光・合成する場合、略平行
光を使用することで、分光・合成に使用するダイクロイ
ック膜による分光特性を均一に保つことができ、画質を
向上させることが可能となる。

【０００６】レーザー光には、一方でコヒーレンス性に
よる欠点も存在する。一つは照射された面の微小凹凸が
位相差のｍλ／２（ｍ＝０，１，２，…）の部分で強度
が増したように見え、λ／４×（２ｍ＋１）（ｍ＝０，
１，２，…）では逆に強度が低下したように見えるいわ
ゆるスペックルである。

【０００７】もう一つは、空間光変調素子のように規則
正しい配列に照射されると回折を起こすことである。図
５は、周期構造を持つ空間光変調素子にスポット状のコ
ヒーレント光を照射した時の回折パターンの一例を示
す。図では、全面黒表示に対して(図では説明のため背
景を白く表示している)スポット光による回折を丸で表
示したものである。丸内が白いほど強度が強いことを示
す。図に示す様に、本来の反射光（白丸で中央に表示）
の他に回折パターンとして輝点が存在する。尚、図５は
回折を模式的に示したものであり、ドット径は説明のた
め実際より大きく描いている。

【０００８】この回折パターンが、黒表示部に当たれば
コントラスト低下を起こし、また、本来照射された位置
からの反射光が回折により不要な位置に分散されること
になることから、本来の明状態の明るさが低下する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】レーザーを光源に使用
し、空間光変調素子を使用した表示装置については、特
開平１０−２９３５４５号公報に詳細が述べられてい
る。しかし、レーザーを使用することによる回折につい
ては何ら考慮されていない。

【００１０】また、特開平１１−８４２７１号公報によ
れば、レーザーを光源として使用し、ＤＭＤ（デジタル
ミラーデバイス）について、表面形状を平らにすること
とと、凹部についての深さ規定を行うことで、回折の影
響を回避することが記載されている。しかし、一般に用
いられているような空間光変調素子の場合については、
一切考慮されていないものである。

【００１１】そこで、本発明は、回折による輝度の低下
やコントラスト比の低下を抑制することを目的とする。

【００１２】また、コヒーレント光を空間光変調素子ま
で導入することで、空間光変調素子周りの光学設計を容
易なものとし、低コスト化を実現し、かつ、回折による
輝度やコントラト比の低下を抑制することを目的とす
る。

【００１３】さらに、高開口率を実現するために光学的
手段を使用することにより、安価に回折による輝度やコ
ントラト比の低下を抑制する(高開口率なＬＣＤを設計
・作製にかかる膨大なコストを削減する)ことを目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
コヒーレンス性を持つ光を発する光源と変調用の空間光
変調素子とを備える表示装置において、前記空間光変調
素子の開口率を７０％以上としたことを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の表
示装置において、前記光源と前記空間変調素子との間
に、前記光源からの光をコヒーレンス性を維持したまま
空間光変調素子へ拡大して照射する拡大光学系を備える
ことを特徴とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の表示装置において、前記空間光変調素子の開口率を
光学的に拡大させる開口率拡大手段を備えることを特徴
とする。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項３記載の表
示装置において、前記開口率拡大手段がマイクロレンズ
アレイであることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を説明す
る。

【００１９】本実施の形態は、コヒーレント光を発する
光源を用い、その光を空間光変調素子で変調を行う表示
装置において、回折による（コヒーレント光を空間光変
調素子等の周期構造に照射することで起こる）光利用効
率の低下や、表示むらを低減し、高画質を実現するもの
である。

【００２０】本実施の形態では、透過型ＬＣＤのような
一般的な空間光変調素子に関して、その開口率により回
折による影響を低減させ得る効果を見い出したものであ
る。具体的には、開口率の異なる空間光変調素子を使用
して回折強度を測定した結果、開口率が７０％以上であ
れば回折の効果を抑制できることを見い出した。

【００２１】例えば、後述する実施例１のように、空間
光変調素子に５画素ＯＮ（明状態）で他は全てＯＦＦ
（暗状態）を表示し、レーザー光を照射し、その時にス
クリーン上に映る回折像の照度分布を測定した。５５％
から８５％までを５％ずつ変更した開口率の空間光変調
素子を準備した。

【００２２】測定結果を図１に示す。スクリーン上に
は、０次から高次に回折像が見られた。高次になるに従
い、順次回折像の強度は減衰するが、３次と４次の回折
像強度が逆転することが分かった。通常、ＯＦＦ（暗状
態）ではＯＮ（明状態）から離れた位置に明るい点があ
ると視認されることから、この４次の回折像が高いと回
折像が視認されることとなる。

【００２３】少なくとも１次の回折像強度(以下、単に
「強度」と略す)より４次の強度が低くなることが望ま
しい。実験結果から、開口率が７０％以上であれば、回
折による画像劣化を低減することができる。

【００２４】図１に示す結果を用いて、１次と４次の回
折像と同じ強度の輝点を作製し、目視で観察した。１
次、４次の距離を拡大して確認したところ、４次強度が
１次強度の７５％以下になると目視できないことが分か
った。従って、さらに望ましい開口率は７５％以上であ
る。

【００２５】また、単独で４次強度が１次強度の５０％
以下となると本来回折が発生した距離ではまったく視認
されなくなる。従って、さらに望ましい開口率は、８０
％以上である。

【００２６】ところで、本発明にいう「開口率」とは、
空間光変調素子の連続した配置（周期的構造）のなか
で、1画素ピッチの面積に対しての光を変調可能な面積
（開口部）の比である。なお、本実施の形態では、この
変調可能な面積を光学的な開口率拡大手段を使用して拡
大することで回折による画質劣化を低減するものであ
る。

【００２７】光学的な開口率拡大手段としては、たとえ
ばレンチキュラレンズを画素列の前に設置することで、
実質、開口部に入射する光を増加することができる。こ
れは、実質的には開口部面積を増加したことと同じ効果
がある。

【００２８】さらに効果的なのは、空間光変調素子の1
画素ごとにマイクロレンズアレイを設置することであ
る。図２（ｂ）に、マイクロレンズアレイを開口率拡大
手段として使用することによる開口率向上の原理を示
す。通常の透過型ＬＣＤの画素では、前述のようにＴＦ
Ｔ等の能動素子のため、図２（ａ）に示すように遮蔽物
の内側を通る幅ａの光しか利用できない。一方、各画素
ごとに図２（ｂ）に示すようにマイクロレンズを設置す
ると、レンズの開口部の幅ｂ分の光を画素に取り込むこ
とができるため、実質的に開口率は向上する。

【００２９】本発明に適用し得る空間変調素子はその構
成について特に制約を受けるものではなく（このため、
特に図示しない）、通常一般のものを利用できる。単純
に空間光変調素子自体を比較すると、開口率は一般に反
射型の方が透過型よりも高い。これは、反射型がＴＦＴ
等の能動素子を反射部の下に設置でき、開口率に影響を
与えないのに対し、透過型では開口部以外に外光から遮
光されたＴＦＴ等の能動素子が必要なためである。もっ
とも、透過型についても、前述のように光学的な開口率
拡大手段を利用して開口率を実質的に向上させること
で、回折を抑制することが可能である。

【００３０】

【実施例】実施例１ＬＤを光源として、開口率が５５％から８５％までで、
５％ずつ開口率の異なる空間変調素子を準備した。空間
光変調素子以外は同じ構成の表示装置を作製した。各表
示装置に５画素連続ＯＮ（明状態）で他はＯＦＦ（暗状
態）の表示を行い、スクリーン上の回折光の強度を表意
位置から測定した。

【００３１】測定結果を図１のグラフに示す。各空間光
変調素子とも回折が起こっているが、７０％以上の開口
率では、４次強度が１次強度以下となり、回折像は視認
されなかった。スクリーン上では本来ＯＦＦ（暗状態）
の部分に光が照射されており、コントラストの低下が起
こっている。開口率を７０％以上とすることで、不要な
回折強度は低下し、回折の影響による画質劣化を低減す
ることができた。

【００３２】実施例２ＬＤを光源として、開口率が６０％の空間光変調素子を
２枚準備した。一方には画素ピッチに一致したマイクロ
レンズアレイを設置した（図２（ｂ）参照）。実施例１
と同様に空間光変調素子を除いた光学部品は同じ構成の
表示装置を作製した。

【００３３】空間光変調素子に５画素連続ＯＮ（明状
態）で他はＯＦＦ（暗状態）の表示を行った。マイクロ
レンズアレイを使用した空間光変調素子では、使用しな
い場合に比べて高次の回折像が暗く、回折の影響による
画質劣化を低減することができたものである。

【００３４】開口率を測定したところ、マイクロレンズ
アレイを使用することにより、６０％から７３％への改
善がみられた。

【００３５】実施例３光源としてレーザー光源を、また、空間光変調素子とし
て透過型ＬＣＤを使用し、本発明の空間光変調素子まで
コヒーレント光を維持できる拡大光学系を用いた表示装
置を作製した。開口率はマイクロレンズアレイを使用し
て７３％に向上させた。レーザー光は拡大光学系として
のビームエキスパンダーを使用することで透過型ＬＣＤ
有効画素サイズまで拡大した。ビームエキスパンダー
は、図３にその一例を示すように、２枚の凸レンズを互
いの焦点距離ｆ１＋ｆ２に置いたものである。

【００３６】比較のため、光源、空間光変調素子は同じ
ものを使用し、空間光変調素子へはスプリットラインを
使用したランダム位相板を用いてコヒーレンス性のない
光を照射するシステムを作製した。比較例では、主光軸
を略平行にするために光学レンズ群が必要で、装置全体
が大型化した。本発明では、装置全体の小型化を実現で
きたものである。

【００３７】実施例４実施例３で使用したマイクロレンズを設置した空間光変
調素子を使用し、ガスレーザーを光源とした表示装置を
作製した。

【００３８】図４に試作した表示装置１の構造を示す。
コヒーレント光を発する光源としては、レーザー光源
（赤）、レーザー光源（緑）、レーザー光源（青）の３
原色分が設けられ、各色用の空間変調素子に対してコヒ
ーレント光を照射するように構成されている。レーザー
光源（赤）、レーザー光源（青）に対しては、方向を直
交させるため、ミラーが介在されている。３方向に設定
された各色用の空間変調素子を通過した変調光はダイク
ロイックプリズムにより合成され、投射レンズを介して
スクリーン上に投射される。

【００３９】コヒーレンス性を持つレーザーを光源とし
て使用することで、光学系は簡素化され、低コスト化を
実現できたものである。また、回折による画質劣化は少
なく、明るくコントラスト比の高い画像を得ることがで
きたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を説明するために異なる
開口率を持つ空間光変調素子を使用した場合の回折強度
の測定結果を示すグラフである。

【図２】マイクロレンズによる開口率向上を説明するた
めの原理図である。

【図３】ビームエキスパンダーの一例を示す原理図であ
る。

【図４】カラー表示装置の構成例を示す原理図である。

【図５】レーザー入射によるスクリーン上の回折パター
ン例の説明図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレンス性を持つ光を発する光源と
変調用の空間光変調素子とを備える表示装置において、前記空間光変調素子の開口率を７０％以上としたことを
特徴とする表示装置。
【請求項２】前記光源と前記空間変調素子との間に、
前記光源からの光をコヒーレンス性を維持したまま空間
光変調素子へ拡大して照射する拡大光学系を備えること
を特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項３】前記空間光変調素子の開口率を光学的に
拡大させる開口率拡大手段を備えることを特徴とする請
求項１又は２記載の表示装置。
【請求項４】前記開口率拡大手段がマイクロレンズア
レイであることを特徴とする請求項３記載の表示装置。