JP2002508092A - 増強された輝度を有する画像投射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は画像投射装置（１）に関する。この画像投射装置は、放射源（５）と少なくとも１個の反射型表示パネル（１５）を具える変調光学系とを有する。この画像投射装置（１）は、さらに投影レンズ系（１８）を具える。偏光感知ビームスプリッタ（１７）を照明光学系（３）と画素表示パネル（１５）との間に配置する。照明光学系（３）は、第１及び第２の積分器プレート（１１，１３）を有する積分光学系（９）を具える。第３の積分器プレート（２７）を第２の積分器プレート（１３）の面に配置する。反射素子（２９）を第３の積分器プレートとその焦点面との間に配置する。この光学装置は、第２の積分器プレートの反射像を第３の積分器プレート上に少なくとも部分的に結像する光学系を具える。

Description

【発明の詳細な説明】 増強された輝度を有する画像投射装置 本発明は、放射源と、照明光学系から発生した照明ビームを画像情報を用いて 変調する少なくとも１個の反射型画像表示パネルを具える画像表示光学系とを有 する照明光学系、及び投影レンズ系ををこの順序で具え、前記照明光学系と表示 パネルとの間に偏光感知ビームスプリッタが配置されている画像投射装置に関す るものである。 冒頭部で述べた形式の画像投射装置は、例えば欧州特許明細書ＥＰ０４６７４ ４７号から既知である。この特許明細書に記載されている画像投射装置は、照明 ビームを発生する照明光学系と、この照明ビームを投影されるべき画素情報に応 じて変調する反射型表示パネルを有する画素表示光学系とを具える。表示パネル は、液晶材料層を有し例えば電極により駆動される２次元画素アレイが設けられ ている液晶表示パネルとすることができる。 既知の反射型ＬＣＤ投射装置において、偏光感知ビームスプリッタにより異な る偏光方向の光が互いに分離されている。表示パネルにより変調された光の一部 は画像中の暗い画素を形成し、すなわち画像中の暗い画素に対応する表示パネル の画素により変調されており、この光の部分はビームスプリッタにより光路外に 向けて偏向され、従って喪失されている。これは、画像のピーク輝度を犠牲にす ることになる。 本発明の目的は、比較的高いピーク輝度が実現される画像投射装置を提供する ことにある。 この目的を達成するため、本発明による画像投射装置は、照明光学系が、前記 画像表示光学系により照明光学系に向けて反射された光で画像表示光学系を少な くとも部分的に再照明する特別な光学系を具え、この特別な光学系が、画像表示 光学系の複数の画素のうちいずれかの画素からの光を再分配する手段を具えるこ とを特徴とする。 本発明は、偏光感知ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が、入射光を表示パネルに入 射する前に偏光した光とする共に表示パネルにより変調された光を投影される前 に検光された光とする反射型ＬＣＤ投射装置に関するものである。 表示パネルは、例えばＴＮ（ツウステッド ネマチック）液晶を主体とする表 示パネルとすることができる。このパネルは例えば以下のように動作する。明状 態の画素の液晶層の両端間に所定の電圧が存在する場合、入射光の偏光方向は回 転する。この光は液晶層によりＰＢＳに向けて反射し、ＰＢＳにより投影レンズ に向けて反射される。液晶層の両端間に異なる電圧が存在して暗状態の画素を形 成する場合、液晶層により偏光方向が回転しないので、この光はその偏光方向が 変化せず、表示パネルにより反射されＰＢＳを放射源に向けて透過する。 画像中の暗又はグレイの画素を表す画素により変調された光は、ビームスプリ ッタにより光路から外れるように偏向されず、再び放射源に向けて送出され、従 って再利用されることになる。この光は明の画素を表す画素に入射する機会を有 する。 上述した画像投射装置において、暗又はグレイの画素を形成する光は喪失せず 再利用される。 この光の再利用中にゴースト画像が発生するのを防止するため、照明光学系に 特別な光学系を設ける。 本発明による画像投射装置の好適実施例は、積分光学系が第１及び第２の積分 器プレートとを具え、前記特別な光学系が第３の積分器プレート、レンズ系及び 反射素子を具え、前記第３の積分器プレートが第２の積分器プレートの面に位置 し、前記レンズ系が積分光学系と前記画素表示パネルとの間に配置され、画素表 示パネルにより反射した第２の積分器プレートの像を第３の積分器プレート上に 結像し、前記反射素子が第３の積分器プレートとその焦点面との間に配置されて いることを特徴とする。 このように、第２の積分器プレートの像は、表示パネルで反射した後光学系を 経て第２の積分器プレート面に結像される。第３の積分器プレートはこの像の位 置に存在し、第１の積分器増幅器の光分配された像がその焦点面に形成される。 ミラーにより、この分配された光は第３の積分器プレートに向けて反射し、この 分布光は第３の積分器プレートを照明するように作用する。第３の積分器プレー トを照明した後表示パネル全体にわたって分配された光は第１の積分器プレート の複数の光スポットに重ね合わされる。 本発明による画像投射装置の実施例は、偏光ビームスプリッタと投影レンズ系 との間に付加的な偏光子が配置されていることを特徴とする。 このように構成することにより、投射画像の一層高いコントラスト比を達成す ることができる。 本発明による画像投射装置の別の実施例は、第３の積分器プレートと反射素子 との間の距離を変化可能にしたことを特徴とする。 第２の積分器プレートにおける複数の光スポットは主として個々のレンズ素子 の中心に集中するので、ピーク輝度に対応する再利用される光も投射画像に対し て整合する。この光の再分配は上述した手段による制御することができる。 前述した文脈と同一の目的が達成される別の実施例は、第３の積分器プレート の個々のレンズが互いに異なる焦点距離を有することを特徴とする。 本発明による画像投射装置の別の実施例は、照明光学系が偏光変換光学系を具 えることを特徴とする。 本発明のこれらの概念及び別の概念は後述する実施例に基づいて明確にする。 図面として、 図１は本発明による画像投射装置の第１実施例を示し、 図２（ａ）は第２の積分器プレートの光分布を線図的に示し、 図２（ｂ）は第３の積分器プレートを介する第２の積分器プレートの表示パネ ル上の光分配を線図的に示し、 図３及び図４は本発明による画像投射装置の第２及び第３の実施例を示す。 図１に示す画像投射装置１は照明ビームを発生する照明光学系３を具える。こ の照明光学系３は放射源５及び反射器７を具える。反射器７は放射源５を少なく とも部分的に包囲し、放射源により光学系から離れるように放出された大部分の 光を光学系に入射するようにする。 照明光学系３から発生した照明ビームは、図面を簡明にするため単一の画像表 示パネル１５として図示した表示光学系に入射し、この表示光学系により表示す べの画像情報に応じて変調される。照明光学系３と表示パネル１５と間に偏光感 知ビームスプリッタ１７を配置する。表示パネルにより変調され反射した光は、 図面を簡明にするため単一の投影レンズ１８として図示した投影レンズ系により スクリーン（図示せず）上に投射される。 図１において、照明光学系３からの光は折り曲げミラー１９及びレンズ２１を 介して偏光感知ビームスプリッタ１７に送出される。 図３は、折り曲げミラーが削除された本発明による画像投射装置の第２の実施 例を示す。 表示パネルは、例えばＴＮ−ＬＣＤとし、このＴＮ−ＬＣＤにおいては液晶層 に所定の電圧が存在すると画素は明るい状態となり、別の電圧が存在すると画素 は暗の状態となる。従って、液晶材料の分子は明の状態の画素について所定の方 向に配向し、入射光の偏光方向は例えば変更される。画素が暗の状態の場合、液 晶材料は異なる配向を有し、入射光の偏光状態は変更されない。表示パネルによ り偏光状態が変更された光はビームスプリッタを透過せず投影レンズ１８に向け て反射する。表示パネルの画像中の暗い画素を表す画素からの光は偏光感知ビー ムスプリッタを再び透過し、折り曲げミラー１９を経て又は経ることなく照明光 学系３に送られる。この理由は、この光の偏光方向が変更されないように維持さ れているからである。 図１及び図３において、ビームスプリッタ１７の界面２５は、光源から到来し 表示パネルに対して不所望な偏光方向を有する光の一部を光路から外れるように 反射し、表示パネルから到来し変更された偏光方向を有する光（本例の場合、明 るい画素を表す光）を投影レンズに向けて反射するように設定する必要がある。 表示パネルに対して望ましい偏光方向及び暗の画素を表す光の偏光方向は互いに 対応し、従って界面２５を透過する。 本発明は、表示パネルで反射した光を用いて表示パネルを少なくとも部分的に 再照明する特別な光学系を有する照明光学系を実現することを提案するものであ る。ここにおいて、画像中の暗の画素を表す表示素子により反射した光に関する ものである。この特別な光学系は、複数の表示素子中の暗の画素を表示する表示 素子から到来する光を再分配する手段を具える。既知の光学系においては、この ような表示素子により反射した光はビームスプリッタにより光路外に反射され、 喪失されてしまう。本発明による画像表示装置においては、この光は再利用され 、表示素子に入射するさらに別の機会があたえられ画像中の明画素の輝度を増強 する。 図１及び図３に示す本発明による画像表示装置の実施例において、照明光学系 は放射源、反射器及びコンデンサレンズを有するだけでなく、積分光学系をも具 える。積分光学系の背後に配置したレンズ２１により、全ての再画像は表示パネ ル面上に重畳される。 積分光学系９は、第１のレンズプレート１１及び第２のレンズプレート１３を 具え、表示パネルに対して均一な照明を行う。２個のレンズプレートを有する積 分光学系の原理の詳細な説明については、米国特許第５０９８１８４号を参考に することができる。 この積分光学系は、２個のレンズプレートの代りに、棒状の積分器を有するこ とができる。この場合、積分光学系は、照明光を棒の側壁での多重内部全反射に より均一にする。この棒状体は例えば水晶の棒状体で構成することができる。 積分光学系が２個の積分器プレートすなわち２個のレンズプレートを有する場 合、特別の光学系は第３の積分器プレート２７及び反射素子２９を具える。表示 パネルで反射しビームスプリッタ１７を経て照明光学系３に向けて送出される光 は第２の積分器プレート１３の面に入射する。レンズ２１を整列させることによ り、反射光が入射する位置を最適にすることができる。このレンズ２１の存在に より、第２の積分器プレートの像は第２の積分器プレートの面に形成される。こ の像が形成される位置に第３の積分器プレートが位置する。第１の積分器プレー トにより拡散された光の像は第３の積分器プレート２７の焦点面に形成する。第 ３の積分器プレート２７と、第１の積分器プレート１１により拡散された光の像 が形成される位置との間に反射素子２９を配置する。第１の積分器プレートによ り分配された光は反射素子２９により第３の積分器プレート２７に向けて反射し 第３の積分器プレート２７に対する照明光として作用する。この積分器プレート ２７により表示パネル全体が再照明される。第３積分器プレートを介して照明さ れる表示パネル全体に分配する光は、第１の積分器プレートの複数の光スポット の重ね合わせとなる。図２（ｂ）は一例を線図的に示す。第２の積分器プレート の複数の光スポットは複数の個別のレンズの中心に一層集中するので、ピーク輝 度を増強するように作用する光は画像の中心に入射する。図２（ａ）は第２の積 分器プレートにおける光分布を線図的に示す。 光の再分配は、第３の積分器プレートの複数の個々のレンズの焦点距離を相互 に相異させることにより制御することができる。同一の目的を達成する別の方法 は、反射素子と第３の積分器プレートとの間の距離を相異させることができる。 表示パネルは例えば赤、緑及び青のビームで順次照明される表示パネルとし、 この表示パネルは照明光の対応するカラー成分の画像で同時に駆動する。 この画像投射装置は２個又は３個の表示パネルを有することができる。２個の 表示パネルを用いる実施例を図４に示す。照明光学系３から偏光されていない光 が積分光学系および特別な光学系を介して偏光ビームスプリッタ１７に入射すす る。一方の偏光方向の光はビームスプリッタ１７の界面２５を透過し、光源から のビームの他方の偏光方向の光は偏向される。図４の実施例は２個の反射型表示 パネル３５、３７を具える。表示パネル３５は例えば赤の光だけを変調する表示 パネルとする。光損失を制限するため、赤の光だけを透過し緑および青の光を反 射するダイワクロイックミラー３９を表示パネル３５の前面に配置する。変調に より明るい画素を形成する赤の光の偏光方向は変化し、従って偏光方向が変化し た光は投影レンズ１８に向けて進行する。表示パネル３７は例えば青および緑の 光の両方を変調する表示パネルとする。緑及び青の光を透過し赤の光は反射する ダイクロイックミラーを表示パネル３７の前面に配置する。この場合変調により 、明るい画素を形成する光の偏光方向が変更されるので、この光はビームスオプ リッタ１７を投影レンズ１８に向かって通過する。上述した積分光学系（１１， １３）及び光学系（２７，２９）を有する画像投射装置を設けることにより、画 像中の暗い画素を表す画素からの光は、単一の表示パネルに基づいて説明したよ うに再利用される。 コントラストを最適にするため、偏光ビームスプリッタ１７と投影レンズ１８ との間に別の付加的な偏光子３１を配置することができる。この偏光子は暗状態 の画素の黒色化を最適にする。この光学素子は選択的なものであるため、破線で 図示した。 この照明相装置は、例えば偏光変換光学系３３を有する照明光学系を設けるこ とにより供給される光がすでに偏光されているように構成することができる。こ のような光学系は、例えば公開された国際特許出願ＷＯ９６／０５５３４から既 知である。この光学系においてビームスプリッタは検光子の役割だけを果たし、 明るい画素に変調された光を照明光学系に戻す機能を有している。この偏光変換 光学系は、例えば光源と積分光学系との間に配置することができる。この場合、 照明光学装置の照明ビームは表示パネルに対して適切な偏光方向を有し、表示パ ネルに向けてビームスプリッタをほぼ完全に透過する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射源と、照明光学系から発生した照明ビームを画像情報を用いて変調する 少なくとも１個の反射型画像表示パネルを具える画像表示光学系とを有する照 明光学系、及び投影レンズ系ををこの順序で具え、前記照明光学系と表示パネ ルとの間に偏光感知ビームスプリッタが配置されている画像投射装置において 、 前記照明光学系が、前記画像表示光学系により照明光学系に向けて反射され た光で画像表示光学系を少なくとも部分的に再照明する特別な光学系を具え、 この特別な光学系が、画像表示光学系の複数の画素のうちいずれかの画素から の光を再分配する手段を具えることを特徴とする画像投射装置。 ２．前記照明光学系が積分光学系を具える請求項１に記載の画像投射装置におい て、前記積分光学系が第１及び第２の積分器プレートとを具え、前記特別な光 学系が第３の積分器プレート、レンズ系及び反射素子を具え、前記第３の積分 器プレートが第２の積分器プレートの面に位置し、前記レンズ系が積分光学系 と前記画素表示パネルとの間に配置され、画素表示パネルにより反射した第２ の積分器プレートの像を第３の積分器プレート上に結像し、前記反射素子が第 ３の積分器プレートとその焦点面との間に配置されていることを特徴とする画 像投射装置。 ３．前記偏光ビームスプリッタと投影レンズ系との間に付加的な偏光子が配置さ れていることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像投射装置。 ４．前記第３の積分器プレートと反射素子との間の距離を変化可能にしたことを 特徴とする請求項１、２又は３に記載の画像投射装置。 ５．前記第３の積分器プレートの個々のレンズが互いに異なる焦点距離を有する ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の画像投射装置。 ６．前記照明光学系が偏光変換光学系を具えることを特徴とする請求項１から５ のいずれかに記載の画像投射装置。