JP2005017785A

JP2005017785A - 光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置

Info

Publication number: JP2005017785A
Application number: JP2003183741A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hoden; 和夫鋪田; Futoshi Yamazaki; 太志山崎; Hiroshi Nakayama; 啓中山; Takuya Shimizu; 拓也清水
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: JP4400110B2

Abstract

【課題】３色に分離された各色光の対応する液晶パネル上への照射位置と照射範囲を、色光毎に独立に調整できる光学ユニットを提供する。
【解決手段】光源から照射される白色の収束光を最初に第１の色光とその補色光の２色光に分離する第１のダイクロイックミラーの後の各色光の光路上で、第１のダイクロイックミラーと第１の色光をこれに対応する第１の映像表示素子側方向に折り返すミラーとの間、及び第１ダイクロイックミラーと前記補色光を第２の色光と第３の色光に分離する第２のダイクロイックミラーとの間に、液晶パネル上の照射位置を調整するための位置調整手段を備えた集光レンズを配置する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源側からの白色光をＲ，Ｇ，Ｂ光の３色光に分離した後、其々の色光に対応した映像表示素子に照射し、該映像表示素子で映像信号に応じて画素毎の濃淡に変える光強度変調を行って、光学像を形成し、その光学像をスクリーンなどに映像として拡大投射する３板式の投射型映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源からの光を映像表示素子で映像信号に応じて画素毎に濃淡を変える光強度変調（空間光変調ともいう）を行い、光学像を形成し、その光学像を投射レンズにて拡大投射する光学ユニットを搭載した投射型映像表示装置が知られている。映像表示素子としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、マイクロミラーパネルなどが知られている。
【０００３】
近年、投射型映像表示装置では、高輝度・高画質であることが要求されている。このため、従来、例えば、映像表示素子として透過型液晶パネルを３枚用い、光源からの光を２つのレンズアレイを用いたインテグレータ照明光学系で複数光束に分割し、これらの光束を２つの集光レンズで液晶パネル上に重畳させて均一照明する３板式の投射型映像表示装置が広く用いられている。
【０００４】
光源からの光が、各液晶パネルを正しく照射する構成が、例えば下記特許文献１に開示されている。下記特許文献１では、その図１の実施形態（５頁乃至８頁）で述べられているように、Ｒ透過ＧＢ反射ダイクロイックミラー１０６を透過後のＲ光路に第１の負レンズ１０９を、Ｒ透過ＧＢ反射ダイクロイックミラー１０６を反射後のＧＢ光路に第２の負レンズ１１０を設け、さらに、第１の負レンズ１０９，第２の負レンズ１１０および第２のリレーレンズ１１３を光軸に平行な方向および垂直な方向に移動させる調整部を設けて、光源光が各液晶パネル１１５，１１６，１１７を正しく照射するように、第１の負レンズ１０９，第２の負レンズ１１０および第２のリレーレンズ１１３を各々独立に調整できるようにしている。その調整は、光軸に平行な方向の移動で照射範囲（照射面積）の大きさを、垂直な方向の移動で照射位置を変えるものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−９０８８５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、前記特許文献１に開示されている技術では、第１の負レンズ１０９，第２の負レンズ１１０および第２のリレーレンズ１１３を、各々独立に、光軸に平行な方向および垂直な方向に移動させ、各色光の対応する第１〜第３の液晶パネル１１５〜１１７上の照射位置および照射範囲を独立に調整できるようにして、光学部品の製造上の正規位置からのずれに起因する液晶パネルに集光する照射位置のずれの補正を各色光毎に最適化することができ、かつ液晶パネルに入射する光線の角度変化を抑え、投射される光量の減少を抑えることができ、照明欠けがなく明るい投射型映像表示装置を実現している。
【０００７】
しかし、前記負レンズを設けて、集光レンズ１０５の収束光束を発散させるように屈折しても、光軸に平行な平行光線とはならないので、Ｇ反射ダイクロイックミラー１０７には依然として入射角度の異なる光束が入射する。
【０００８】
一般に、ダイクロイックミラーには光線の入射角度によって異なる波長範囲の光を透過、及び反射するという特性（入射角依存性）がある為、前記例では、例えばＧ光用液晶パネル１１６，Ｂ光用液晶パネル１１７の左右で、照射される光の色が異なるという色むらの問題が生じる可能性がある。
【０００９】
これを解決する手段として、一般に、ダイクロイックミラーに左右の光線角度差による影響を補正するウェッジコートをかける公知の手法が用いられるが、低価格化に対し不利となり、またウェッジコートの製造上のばらつきにより、色むらが残存する可能性が残る。
【００１０】
また、光源として超高圧水銀ランプを用いる場合、図２に示す分光エネルギー分布から明らかなように、ランプのスペクトル特性として赤色の光量が少なく、色再現性が不充分となる問題がある。
【００１１】
前記特許文献１に開示されている技術では、かかる課題について十分に考慮されていない。
【００１２】
本発明は、かかる課題を鑑みて成されたもので、その目的は、前記課題を解決し、３色に分離された各色光の対応する液晶パネル上への照射位置と照射範囲を、色再現性を良好に保ちながら、色光毎に独立に調整できる光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題点を解決するために、本発明では、光源と、該光源からの白色光を赤色光、緑色光、青色光に分離する第１及び第２のダイクロイックミラーと、分離した複数の各成分毎に各色光を変調する３個のライトバルブ手段と、該ライトバルブ手段からの光を合成する合成手段と、合成後の変調光を投射表示する投射手段と、前記第１のダイクロイックミラーと前記第２のダイクロイックミラーとの間の光路、及び前記第１のダイクロイックミラーでの反射直後の光路に、前記光源からの白色光を略平行光とする第１及び第２の集光レンズを備えた構成とする。
【００１４】
本発明により、赤色光と緑色光の映像表示素子上における集光位置を其々独立して調整できる為、従来に対して映像表示素子上における光の照射範囲を縮小でき、高輝度化に有利となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、全図において、共通な機能を有する部分には同一符号を付して示し、一度説明したものについては、煩雑さを避けるために、その繰り返した説明を省略する。
【００１６】
本発明は、３板式の投射型映像表示装置において、光源から照射される白色の収束光を最初に第１の色光とその補色光（例えばＲ光とＧＢ光）の２色光に分離する第１のダイクロイックミラーの後の各色光の光路上で、第１のダイクロイックミラーと第１の色光をこれに対応する第１の映像表示素子側方向に折り返すミラーとの間に、そして、第１ダイクロイックミラーと前記補色光を第２の色光と第３の色光に分離する第２のダイクロイックミラーとの間に、それぞれ集光レンズを配置したことに特徴がある。
【００１７】
図１は本発明を３板式投射型液晶表示装置の光学ユニットに適用した一実施形態の上面概略図である。
【００１８】
図１において、光源１の例えば超高圧水銀ランプのようなランプ１ａより出射した光は、放物反射面鏡リフレクタ１ｂで反射され、前面ガラス２を透過した後、公知のレンズアレイ方式のインテグレータ光学系に入射する。インテグレータ光学系は、放物反射面鏡リフレクタ１ｂの出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた矩形状の複数のレンズセルにより構成され、複数の２次光源像を形成するための第１のレンズアレイ３と、同様に矩形状の複数のレンズセルにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置されて、かつ液晶パネル１６に第１のレンズアレイ３の個々のレンズセル像を結像させる第２のレンズアレイ４とからなる。インテグレータ光学系で複数光束に分割された各光束は偏光変換素子５で所定偏光方向（例えばＳ偏光）に揃えられ、Ｓ偏光に揃えられた各光束は、第１集光レンズ６により集光され、第２集光レンズ８により平行光とされた後、液晶パネル１６上に重畳して照射され、液晶パネル１６は均一な照明がなされる。
【００１９】
この経路の途中で、第１集光レンズ６を出射した光は、光軸に対して４５°の角度に配置された光源からの白色光をＲ（赤色）光とＧ（緑色）Ｂ（青色）光に分離する色分離手段であるＲ反射ダイクロイックミラー７により、ＧＢ光は透過し、Ｒ光は反射する。そして、Ｒ反射ダイクロイックミラー７を透過したＧＢ光は、Ｇ反射ダイクロイックミラー９により、Ｇ光は反射し、Ｂ光は透過する。
【００２０】
Ｒ光は、第２集光レンズ８Ｒにより平行光とされた後、Ｒ用全反射ミラー１１Ｒによりその光路を９０°折り曲げられて、温度上昇の原因となる赤外線を除去する為のＩＲカットフィルターが設けられた透光性基板１４Ｒ及び入射偏光板１５Ｒを通過し、透過型の液晶パネル１６Ｒに入射する。そして、液晶パネル１６Ｒでは光強度変調されて、液晶パネル１６Ｒの出射側に設けられた前置出射偏光板１７Ｒ及び出射偏光板１８Ｒを通過し、ダイクロイックプリズム１９に入射する。
【００２１】
液晶パネル１６Ｒでは、外部より駆動される映像信号（図示せず）に従って、液晶パネル１６Ｒの各画素を形成する液晶セル毎にその偏光方向が変わり、最終的に前置出射偏光板１７Ｒ，出射偏光板１８Ｒの偏光方向と一致する方向になった光が出射され、その偏光方向と直交方向になった光は前置出射偏光板１７Ｒ及び出射偏光板１８Ｒで吸収される。このようにして、外部より入力する映像信号に応じて光の濃淡に変える光強度変調が行われて、光学像である画像が形成される。
【００２２】
一方、Ｒ反射ダイクロイックミラー７を透過したＢ光とＧ光は、第２集光レンズ８Ｇによって平行光とされ、Ｇ反射ダイクロイックミラー９に入射する。このＧ反射ダイクロイックミラー９によりＧ光は反射し、色再現性を向上させる為のトリミングフィルターであるダイクロイックフィルターが設けられた透光性基板１４Ｇ及び入射偏光板１５Ｇを通過し、液晶パネル１６Ｇに入射する。そして、液晶パネル１６Ｇでは光強度変調されて、液晶パネル１６Ｇの光の出射側に設けられた前置出射偏光板１７Ｇ及び出射偏光板１８Ｇを通過し、ダイクロイックプリズム１９に入射する。
【００２３】
また、Ｇ反射ダイクロイックミラー９を透過したＢ光は、第１リレーレンズ１０を透過し、Ｂ光用全反射ミラー１１Ｂａによりその光路を９０°折り曲げられて第２リレーレンズ１２を透過後、Ｂ光用全反射ミラー１１Ｂｂによりその光路を９０°折り曲げられて、液晶パネル前に設けられているコンデンサレンズ１３により平行光とされる。その後、偏光板劣化の原因となる紫外線を除去する為に配置されたＵＶカットフィルターが設けられた透光性基板１４Ｂ及び入射偏光板１５Ｂを通過し、透過型の液晶パネル１６Ｂに入射する。そして、液晶パネル１６Ｂでは光強度変調されて、液晶パネル１６Ｂを透過した後、液晶パネル１６Ｂの光の出射側に設けられた前置出射偏光板１７Ｂ及び出射偏光板１８Ｂを通過し、ダイクロイックプリズム１９に入射する。
【００２４】
ダイクロイックプリズム１９は、ダイクロイックミラー面（図示せず）で入射したＲ光，Ｂ光を反射し、Ｇ光を透過させて色合成し、投射手段２０に出射する。そして、投射手段２０はダイクロイックプリズム１９で色合成された画像を図示しないスクリーンに拡大して投射する。
【００２５】
ここで、光源光が各液晶パネル１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを正しく照射するように、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇおよび第２リレーレンズ１２にそれぞれ光軸に直交する面内で２次元方向に移動可能なおよび光軸に平行な方向に移動可能な位置調整手段３０を設けている。
【００２６】
これらの位置調整手段３０により、光軸に垂直な方向の移動で照射位置を、光軸に平行な方向の移動で照射範囲（照射面積）の大きさを、各々独立に調整できるようにしている。
【００２７】
なお、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇは、従来技術で配置されていた液晶パネルの近傍位置から本発明による位置に配置されるにあたり、配置された位置に適した曲率のレンズが用いられることはいうまでもない。
【００２８】
また、透光性基板１４と入射偏光板１５、および、前置出射偏光板１７と出射偏光板１８は所定の間隔で対向して配置されているが、これは、図示しない冷却手段（例えば冷却ファン）から送風される冷却風が通る風路を形成するためである。冷却風が通る風路を形成して、偏光板で生じる熱を効率的に放熱させる。
【００２９】
以上述べたように、本実施形態では、従来液晶パネル１８Ｒ，１８Ｇの近傍に配置されていた第２集光レンズを、Ｒ光路ではＲ反射ダイクロイックミラー７とＲ用全反射ミラー１１Ｒとの間に配置し、ＧＢ光路ではＲ反射ダイクロイックミラー７とＧ反射ダイクロイックミラー９との間に配置して、第１集光レンズ６からの収束光束を平行光束となるようにしている。従って、光軸に４５°傾斜して設けられたＧ反射ダイクロイックミラー９には、入射角度がほぼ４５°の光軸に平行な光束が入射するので、ダイクロイックミラーの反射、透過特性に表れる入射角依存性を低減でき、従来用いられていたウェッジコートをなくすことができるので、所定の良好な色再現性を確保しながら、コストダウンを図ることができる。
【００３０】
図３は図１からＧ光路の液晶パネルまでの部分を抜き出して、直線上に展開表記した図である。図３において、光源１からの光束はレンズアレイ方式のインテグレータ光学系で複数光束に分割され、偏光変換素子５で所定偏光方向に揃えられて、第１集光レンズ６で収束光束とされ、第２集光レンズ８Ｇで平行光束された後に液晶パネル１６Ｇに照射される。このとき、収束光束を平行光束とする第２集光レンズ８Ｇにより、２枚目のＧ反射ダイクロイックミラー９において入射角が光軸の左右で略相等しく、光束の左右角度差を生じず、ダイクロイックミラー９にはウェッジコートをかける必要が無い。このため、低価格化に優位となり、またウェッジコートのばらつきによる影響も、１枚目のダイクロミラー７だけになる為、従来比半分に低減される。
【００３１】
図１に戻って、また、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇおよび第２リレーレンズ１２には、それぞれ、光軸に直交する面内で２次元方向に移動可能なおよび光軸に平行な方向に移動可能な位置調整手段３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを設けている。そして、光軸に直交する面内の垂直な方向の移動で照射位置を、光軸に平行な方向の移動で照射範囲（照射面積）を、各々独立に調整できるようにしている。
【００３２】
従って、光源として赤色光量の少ない超高圧水銀ランプを用いた場合、第２集光レンズ８Ｇと第２リレーレンズ１２の位置を光軸に平行に若干液晶パネル側から遠ざかる方向に移動させ、照明範囲を広げて、Ｒ光の光量、及び単色の色度を変化させること無く、ＧＢ光の光量のみを減少させることができる。これにより明るさは低下するが、Ｒ光量の少ない超高圧水銀ランプを用いた場合でも良好な色再現性が実現できる。勿論、第２集光レンズ８Ｒの位置を光軸に平行に少し液晶パネル側に近づけて、液晶パネル上の照明範囲を照明欠けが生じない程度に狭め、Ｒ光の光量を増してもよいことはいうまでもない。
【００３３】
前記で述べた効果を効果的にするため、Ｒ反射ダイクロイックミラー７とＲ用全反射ミラーとの間、および、Ｒ反射ダイクロイックミラー７とＧ反射ダイクロイックミラー９との間に配置している位置調整手段３０を備えた第２集光レンズ８を、液晶パネルとインテグレータ光学系を構成する第２のレンズアレイ４との略中間の位置に配置する。
また本発明により、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇの曲率のみの変更で、同一の光学ユニットによる明るさ重視の投射型映像表示装置と、色再現性重視の投射型映像表示装置が実現でき、初期投資費用が大幅に削減可能となる。
【００３４】
以上述べた実施形態では、ダイクロイックミラー７でＲ光を反射し、ＧＢ光を透過する形式をとっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばダイクロイックミラー７でＢ光を反射し、ＲＧ光を透過する形式としてもよいことはいうまでもない。また、光源方向を変えて、Ｒ光はダイクロイックミラー７を透過させ、ＧＢ光は反射させるようにしてもよい。
【００３５】
また、第１のダイクロイックミラー７でＢ光を反射し、ＲＧ光を透過する形式の場合、Ｒ光とＧ光を分離する第２のダイクロイックミラーの分離特性は、光源として超高圧水銀ランプを用いるとき、図２に示す分光エネルギー分布から明らかなように、Ｇ光とＲ光の間に黄色成分があるので、半値波長のばらつきの影響を受け易く、これに加えて、ダイクロイックミラーに入射する入射角度が４５°からずれると、入射角依存性の影響も受ける。従って、ダイクロイックミラーの半値波長が所定どおりとしても、入射角依存性は残り、例えばＧ光が黄緑色となり色純度が悪くなる。この場合、本発明は、Ｒ光とＧ光を分離する第２のダイクロイックミラーへの入射光を光軸に略平行として、第２のダイクロイックミラーへの入射角度を略４５°に揃えることができるので、入射角依存性を低減でき、特に有効である。
【００３６】
図４は前記した本発明の実施形態である光学ユニットを搭載した投射装置の模式図である。図４において、図１，図３に同じ機能を有する要素には同一符号を付して示す。
【００３７】
図４において、投射装置３１０は、前記した本発明による実施形態である光学ユニット３００と液晶パネルに光学像を形成させるように表示駆動を行う表示駆動回路３０１とからなる。以下、投写装置３１０の機能を述べる。
【００３８】
図４において、光源１からの光は図示しない偏光変換素子で所定偏光に揃えられ、図示しない色分離手段（例えば図１のＲ反射ダイクロイックミラー７、Ｇ反射ダイクロイックミラー９）でＲ，Ｇ，Ｂ光に分離されて透過型の液晶パネル１６（１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ）に照射される。液晶パネル１６では表示駆動回路３０１からの映像信号に応じて色光毎に前記所定偏光の偏光方向が変えられ、各色光の濃淡に変えられる光強度変調が行なわれて、光学像が形成される。各色光の該光学像は図示しない色合成手段（例えば図１のダイクロイックプリズム１９）で合成されて投射手段２０で拡大されて投写される。
【００３９】
図５は前記投射装置を投射型映像表示装置のうちの一形態である背面投射型映像表示装置に適用した一実施形態であり、側面から見た概略断面図である。図５において、投射装置３１０からの投射映像光は背面ミラー３１１でスクリーン３１２方向に光路を折り返えされて、スクリーン３１２の背面側から投射される。なお、３１３は背面投写型映像表示装置の筐体である。
【００４０】
以上述べた実施形態では、位置調整手段を光軸に直交する面内で２次元方向に移動可能および光軸に平行な方向に移動可能であるとしたが、これに限定されるものではなく、少なくとも、光軸に直交する面内で２次元方向に移動可能であればよいことはいうまでもない。このようにすることにより、輝度が低下するが、液晶パネル上での照射範囲のマージンを少し大きくすることで対応可能である。
【００４１】
以上のように、映像表示素子上における光源からの光の照射位置と照射範囲をＲＧＢの各色光において独立に調整でき、従来に対して映像表示素子上における光線照射範囲を可変することが可能となり、色再現性を良好に保つことができ、高輝度化にも有利となる。
【００４２】
また第２ダイクロイックミラーに入射する光線が平行光となる為、第２ダイクロイックミラーにおける光線角度の左右差による色むらを低減でき、この点からも良好な色再現性を図れる。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、投射型映像表示装置の高画質化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を３板式投射型液晶表示装置の光学ユニットに適用した一実施形態の上面概略図である。
【図２】超高圧水銀ランプの分光エネルギー分布図である。
【図３】図１からＧ光路の液晶パネルまでの部分を抜き出して、直線上に展開表記した図である。
【図４】前記した本発明の実施形態である光学ユニットを搭載した投射装置の模式図である。
【図５】投射装置を投射型映像表示装置のうちの一形態である背面投射型映像表示装置に適用した一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…光源、２…前面ガラス、３…第１のレンズアレイ、４…第２のレンズアレイ、５…偏光変換素子、６…第１集光レンズ、７…Ｒ反射ダイクロイックミラー、８…第２集光レンズ、９…Ｇ反射ダイクロイックミラー、１０…第１リレーレンズ、１１…全反射ミラー、１２…第２リレーレンズ、１３ｖコンデンサレンズ、１４…透光性基板、１５…入射偏光板、１６…液晶パネル、１７…前置出射偏光板、１８…出射偏光板、１９…ダイクロイックプリズム、２０…投射手段、３０…位置調整手段、３００…光学ユニット、３１０…投射装置、３０１…表示駆動回路、３１１…背面ミラー、３１２…スクリーン、３１３…筐体。

Claims

光源と、該光源からの白色光を赤色光、緑色光、青色光に分離する第１及び第２のダイクロイックミラーと、分離した複数の各成分毎に各色光を変調する３個のライトバルブ手段と、該ライトバルブ手段からの光を合成する合成手段と、合成後の変調光を投射表示する投射手段と、前記第１のダイクロイックミラーと前記第２のダイクロイックミラーとの間の光路、及び前記第１のダイクロイックミラーでの反射直後の光路に、前記第１のダイクロイックミラーにより分離された２個の色光を略平行光とする第１及び第２の集光レンズを備えたことを特徴とする光学ユニット。
前記第１及び第２の集光レンズは、光軸に略直交する面内で、２次元方向の位置調整を行なう調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
前記第２のダイクロイックミラーを透過した光が入射されるリレーレンズを有し、該リレーレンズは、光軸に略直交する面内で、２次元方向の位置調整を行なう調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか一項に記載の光学ユニット。
前記光源からの光を前記ライトバルブに均一に照射させるためのインテグレータを有し、前記集光レンズは、前記ライトバルブと前記インテグレータの略中央の位置に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか一項に記載の光学ユニット。
前記集光レンズの保持部材として、該レンズ保持位置を光軸方向に調整可能な部材を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光学ユニット。
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光学ユニットと、前記ライトバルブを駆動する駆動回路を有することを特徴とする投射型映像表示装置。