JP2005345604A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 緑の照明領域を画像形成領域に対し必要以上に大きくすることなく、青の光路の照明領域をぼかさず矩形に照明することができる、赤リレータイプの３板式投写型表示装置を提供する。
【解決手段】 光源から出た光をダイクロイックミラー８，９で赤、緑、青の三原色の光に分離した後、各色の液晶ライトバルブ１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃをそれぞれ照明し、各液晶ライトバルブで変調された光をクロスダイクロイックプリズム１９で合成した後、１本の投写レンズ２０でスクリーン上に投写することによりカラー画像を得る３板式の液晶プロジェクタであって、分離した青色光と緑色光の光路長が等しく設計されている。青光路におけるコンデンサレンズ１３Ａと液晶ライトバルブ１５Ａの距離は緑光路におけるコンデンサレンズ１３Ｂと液晶ライトバルブ１５Ｂとの距離より２ｍｍ以上短く設計されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源から出た光を色分離光学系で赤、緑、青の三原色の光に分離した後、３枚の変調手段をそれぞれ照明し、各変調手段で変調された光を色合成光学系で合成した後、１本の投写レンズでスクリーン上に投写することによりカラー画像を得る、いわゆる３板式の投写型表示装置に関する。

３板式の投写型表示装置の光学系について液晶プロジェクタを例にとって述べる。

図６に示すように、カラー画像をスクリーンに投写する液晶プロジェクタにおいて、光源１から出射される光束は反射鏡２にて反射され、２枚のインテグレータレンズ４，５および第一集光レンズ７により輝度分布の均一な照明光となって変調手段である液晶ライトバルブに向かう。なお、光は第一集光レンズ７に入射する前に、偏光変換素子６により偏光分離と偏光変換が行われＳ偏光の光束となっている。

第一集光レンズ７を通った白色光束が、青を反射し赤・緑を透過する第１の色分離光学系であるダイクロイックミラー８で青色光Bと赤緑色光G・Rに分離され、さらに、該ダイクロイックミラー８を透過した赤緑色光G・Rが、緑・青を反射し赤を透過する第２の色分離光学系であるダイクロイックミラー９にて緑色光Gと赤色光Rとに分離される。

ダイクロイックミラー８で反射、分離された青色光Bは反射ミラー１０とコンデンサレンズ１３Ａを介して液晶ライトバルブ１５Ａに入射する。ダイクロイックミラー９で反射、分離された緑色光Gはコンデンサレンズ１３Ｂを介して液晶ライトバルブ１５Ｂに入射する。ダイクロイックミラー９で透過、分離された赤色光Rは２枚のリレーレンズ１７，１８と２枚の反射ミラー１１，１２とで構成されたリレー光学系を経て、コンデンサレンズ１３Ｃで液晶ライトバルブ１５Ｃに入射する。

青、緑、赤に対応する液晶ライトバルブ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、それぞれ、入射側に偏光板１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、出射側に出偏光板１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃが配置され、これらの偏光板は各色の液晶ライトバルブで変調された偏光の偏光面を揃える為のものである。なお、入射側の偏光板と出射側の偏光板の透過軸は直交するように設定され、出射側偏光板の透過軸に平行な方向の光のみ透過させ、それ以外の偏光方向の光は出射側偏光板で吸収される。各色光は各色の液晶ライトバルブ１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃにより光変調をうけ、変調された各色光は色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１９で色合成され、投写レンズ２０で投写スクリーン２１上に拡大投写される。

また、同一光路長となる青光路と緑光路に使用するコンデンサレンズ１３Ａ、１３Ｂは同一のレンズとし、青光路におけるコンデンサレンズ１３Ａと液晶ライトバルブ１５Ａの間の距離ｂは緑光路におけるコンデンサレンズ１３Ｂと液晶ライトバルブ１５Ｂの間の距離ａと同じに設定されている。

さらに、図７に示すように、青光路のダイクロイックミラー８と反射ミラー１０の間に第二集光レンズ３１Ａを配置し、緑光路の２枚のダイクロイックミラー８、９の間に第二集光レンズ３１Ｂを配置した光学系もある。この場合も、同一光路長となる青光路と緑光路に使用する第二集光レンズ３１Ａ、３１Ｂは同一のレンズとし、それぞれの光路の液晶ライトバルブ１５Ａ、１５Ｂから同じ距離に配置される。つまり、青光路における液晶ライトバルブ１５Ａから反射ミラー１０を経由して第二集光レンズ３１Ａまでの光路長（ｅ＋ｆ）が、緑光路における液晶ライトバルブ１５Ｂからダイクロイックミラー９を経由して第二集光レンズ３１Ｂまでの距離（ｃ＋ｄ）と同じに設定されている。

上記の液晶プロジェクタでは、２枚のインテグレータレンズ（フライアイレンズ）４，５と集光レンズ７からなるインテグレータ照明系により、液晶ライトバルブの有効画素領域に均一照明を行う。なお、インテグレータ照明系に代えて、ロットレンズと２枚の集光レンズにより輝度分布を均一にして液晶ライトバルブを照明するロットレンズ照明系を使用する投写型表示装置もある。

また、上記のようにクロスダイクロイックプリズムを使用した場合、各色における集光レンズから液晶ライトバルブまでの距離（光路長）のうち１光路のみが長くなる。図６及び図７の液晶プロジェクタでは、青と緑の光路における集光レンズから液晶ライトバルブまでの距離は同じであるが、赤光路における集光レンズから液晶ライトバルブまでの距離が青と緑の光路におけるそれよりも長い。そのため、この赤光路に関しては、複数のリレーレンズ１７，１８からなるリレー系光学システムを使用して、赤、緑、青に対応する全ての液晶ライトバルブに照明する光量を均一にしている。このように赤光路でリレー系光学システムを使用するタイプを赤リレータイプと呼んでおり、図６及び図７の３板式液晶プロジェクタは赤リレータイプである。

これに対し、図６及び図７のダイクロイックミラー８を赤を反射し緑・青を透過する部品に替え、ダイクロイックミラー９を緑・赤を反射し青を透過する部品に替えた場合、青における集光レンズから液晶ライトバルブまでの距離が赤と緑におけるそれよりも長くなり、リレー系光学システムを青光路で使用する。このタイプは青リレータイプと呼んでいる。

また、上述したような液晶プロジェクタなどの投写型表示装置においては、液晶ライトバルブの画像形成領域が光源からの出射光による照明領域に対して一回り小さなサイズに設定され、インテグレータレンズの位置決め精度や該インクグレータレンズの焦点距離の誤差などに起因して照明領域が上下あるいは左右にずれたとしても、画像形成領域が照明領域からはみ出さないようになっている。このような設定により、液晶ライトバルブの画像形成領域を正確に照明している。

しかし、照明領域を画像形成領域に比べて大きく設定しすぎると、投写画像の明るさが暗くなってしまう。また、照明領域の大きさを画像形成領域の大きさと変わらないものとすると、インテグレータ照明系の構成要素の誤差などに対応できず、液晶ライトバルブの画像形成領域に対して照明領域が外れて、投写画像の縁に影ができるといった弊害が発生する。

このような弊害を解決できる発明として特許文献１に記載された方法がある。

この特許文献１にはインテグレータレンズの位置の微調整、集光レンズの位置の微調整、反射ミラーの角度の微調整を可能にすることにより、各光路の照明領域のずれを調整することが示されている。この手法によれば、照明領域のずれを予め考慮して液晶ライトバルブの画像形成領域の周囲に広幅のマージンを設定しておく必要がない。したがって、画像形成領域の周囲に形成すべきマージンは極めて少なくて済むので、照明光を効率よく利用でき、ひいては投写画像の明るさを高めることができる。また、上記マージンを最小にしても、インテグレータレンズの位置の微調整、集光レンズの位置の微調整、反射ミラーの角度の微調整が可能であるので、画像形成領域の一部が照明領域から外れて投写画像の縁に影ができるといった弊害も発生しない。
特開平10-115799号公報

特許文献１に開示されている発明ではインテグレータレンズの位置の微調整、第一集光レンズの位置の微調整、反射ミラーの角度の微調整により、各光路の照明領域のずれを調整しているにすぎない。図６及び図７に示した赤リレータイプ（赤光路における集光レンズから液晶ライトバルブまでの距離が青と緑の光路におけるそれよりも長いタイプ）の場合、特許文献１記載の手法をとっても、緑の照明領域に対し、青の照明領域がはっきりせず、照明領域が小さくなってしまう。青の照明領域にあわせて設計したとしても、緑の照明領域が必要以上に大きくなってしまい、明るさの低下につながってしまう。

その理由は、図６及び図７に示した赤リレータイプの場合、ライトバルブまでの光路長の等しい緑と青の光路とで、使用する光の波長に対する偏光板材料などのガラスの屈折率の違いが大きい為、緑の照明領域が端の部分で急峻に出来たとしても、青の照明領域は軸上色収差の違いによりぼやけてしまい、実効的な照明領域を狭めてしまうからである。

因みに、青リレータイプの場合、同一光路長となる赤光路と緑光路では、使用する光の波長に対する偏光板材料などのガラスの屈折率が近い為、照明領域の光量分布に大きな違いが無い。また光路長が異なるリレー光路系はリレーレンズの配置により照明領域の設計値を拡大したり縮小したりすることが可能であり、また収差も抑えることが可能である。このため、赤リレータイプのような問題は発生しない。

そこで本発明では、上記従来技術の実状に鑑み、緑の照明領域を画像形成領域に対し必要以上に大きくすることなく、青の光路の照明領域をぼかさず矩形に照明することができる、赤リレータイプの、３板式投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源から出た光を色分離光学系で赤、緑、青の三原色の光に分離した後、３枚の変調手段をそれぞれ照明し、各変調手段で変調された光を色合成光学系で合成した後、１本の投写レンズでスクリーン上に投写することによりカラー画像を得る３板式の投写型表示装置であって、分離した青色光と緑色光の光路長が等しく設計されている投写型表示装置に適用するものである。

そして本発明は、上記投写型表示装置において、青光路と緑光路上にそれぞれ、変調手段に対して所定の照明領域を形成するレンズが設けられており、青光路におけるレンズから変調手段までの距離が、緑光路におけるレンズから変調手段との距離よりも短いことを特徴とする。

あるいは、上記投写型表示装置において、青光路と緑光路上にそれぞれ、変調手段に対して所定の照明領域を形成するレンズが設けられており、青光路におけるレンズから変調手段までの距離が、緑光路におけるレンズから変調手段との距離と同じであり、かつ、該青光路におけるレンズの曲率半径が、該緑光路におけるレンズの曲率半径より大きいことを特徴とする。

上記の特徴によれば、色分離光学系で青色光、緑色光、赤色光に分離してから各色に対応する変調手段までの３光路のうち緑色光と青色光の光路では、使用する光の波長に対するガラスの屈折率が大きく異なる為に色収差が大きく生じ、変調手段に対する結像位置が異なるが、この違いは上記のように緑光路と青光路でレンズの配置位置を異ならせることによって補正することができる。よって、緑光路の変調手段の有効領域に対して照明領域を最小限の大きさに設定できるとともに、青光路の照明領域もぼかさず照明することが可能になる。

本発明によれば、緑の照明領域を必要以上に広げることなく、青の照明領域は緑と同等の矩形で急峻な照明領域とし、影の発生し難い投写型表示装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。

ここでは、３板式の液晶ライトバルブを使用した液晶プロジェクタを例にとって説明するが、本発明の思想はこれに限定されず、マイクロミラーデバイスを使用した投写型表示装置にも適用できる。

また、図１〜図４に示す部品に対し、図６及び図７に示した装置の構成部品と同一のものには同一符号を付してある。したがって、以下では図６及び図７の投写型表示装置と異なる点を説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態は、図１に示すように、緑光路におけるコンデンサレンズ１３Ｂと液晶ライトバルブ１５Ｂとの距離をａ、青光路におけるコンデンサレンズ１３Ａと液晶ライトバルブ１５Ａの距離をｂとしたとき、
ａ[mm]≧ｂ[mm]＋２[mm]
を満たすようにして配置することを特徴とする。つまり、前記の距離ｂを前記の距離ａより２ｍｍ以上短くする。

この配置にして緑の光路に対する照明領域の最適設計をすることで、緑の照明領域を必要以上に大きくすることなく、青の光路の照明領域をぼかさずに矩形に照明することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態の光学系において、図２に示すようにダイクロイックミラー８と反射ミラー１０の間に第二集光レンズ３１Ａが配置され、ダイクロイックミラー８、９の間に第二集光レンズ３１Ｂが配置されている。

緑光路における液晶ライトバルブ１５Ｂからダイクロイックミラー９を介して第二集光レンズ３１Ｂまでの距離をｃ+ｄ、青光路における液晶ライトバルブ１５Ａから反射ミラー１０を介して第二集光レンズ３１Ａまでの距離をｅ+ｆとしたとき、
（ｃ+ｄ）[mm]≧（ｅ+ｆ）[mm]＋２[mm]
を満たすようにして配置することを特徴とする。つまり、前記の距離ｅ+ｆを前記の距離ｃ+ｄより２ｍｍ以上短くする。この配置の場合も第１の実施形態と同様の効果となる。

（第３の実施形態）
本実施形態は第１の実施形態の変形例であり、図３に示すように緑光路におけるコンデンサレンズ１３Ｂと液晶ライトバルブ１５Ｂとの距離をａ、青光路におけるコンデンサレンズ１３Ａと液晶ライトバルブ１５Ａの距離をｂとしたとき、
ａ[mm]≒ｂ[mm]
の配置とし、青光路におけるコンデンサレンズ１３Ａの曲率半径を緑光路におけるコンデンサレンズ１３Ｂの曲率半径よりも大きくすることを特徴とする。

コンデンサレンズの材質がＢＫ７の場合、緑光路のコンデンサレンズ１３Ｂの曲率半径をＲｂ、青光路のコンデンサレンズ１３Ａの曲率半径をＲａとすると、
1.4Ｒｂ[mm]≧Ｒａ[mm]≧1.2Ｒｂ[mm]
にすることで第１の実施形態と同様の効果が見込める。

ここでライトバルブの位置について説明する。

投写レンズに対する結像位置は、投写レンズ自身がもつ軸上色収差がＲＧＢにより異なることと、各光路に使用している出射側偏光板のガラス基板材料や厚みの違いにより、各光路により異なる。この為、ａ＝ｂとは厳密にはならない。この値は三板式の投写型表示装置の場合、投写レンズの軸上色収差としては最大0.15mmは存在する。また、出射側偏光板のガラス基板材料の屈折率は白板ガラス又は青板ガラスのような屈折率1.5程度のガラス材料から、セラミック焼結ガラスのような屈折率1.8程度のガラス材料までがあり、ガラス基板の厚みとしては2mmから0.5mm程度があり得る。このガラス基板の影響を加味すると、各光路のライトバルブの位置の違いは0.75mm程度存在する。よってこの２つを合わせると各光路のライトバルブの位置の違いが0.9mm以下はほぼ同じとみなせる。

すなわち、
｜ａ[mm]-ｂ[mm]｜≦0.9[mm]
を満たすものを、
ａ[mm]≒ｂ[mm]
とみなす。

（第４の実施形態）
本実施形態は、図４に示すように第２の実施形態と同様に第二集光レンズ３１Ａ、第二集光レンズ３１Ｂを配置した構成であり、緑光路における液晶ライトバルブ１５Ｂからダイクロイックミラー９を介して第二集光レンズ３１Ｂまでの距離をａ（=ｃ+ｄ）、青光路における液晶ライトバルブ１５Ａから反射ミラー１０を介して第二集光レンズ３１Ａまでの距離をｂ（=ｅ+ｆ）としたとき、
ａ[mm]≒ｂ[mm]
の配置とし、青光路におけるコンデンサレンズ１３Ａの曲率半径を緑光路におけるコンデンサレンズ１３Ｂの曲率半径よりも大きくすることを特徴とする。

コンデンサレンズの材質がＢＫ７の場合、緑光路のコンデンサレンズ１３Ｂの曲率半径をＲｂ、青光路のコンデンサレンズ１３Ａの曲率半径をＲａとすると、
1.4・Ｒｂ[mm]≧Ｒａ[mm]≧1.2・Ｒｂ[mm]
にすることで第１の実施形態と同様の効果が見込める。

また、本実施形態の変形例として、図５に示すようにコンデンサレンズ１３Ａ、１３Ｂの曲率半径を同じにし、青光路における第二集光レンズ３１Ａの曲率半径を緑光路における第二集光レンズ３１Ｂの曲率半径よりも大きくしてもよい。

この場合、緑光路の第二集光レンズ３１Ｂの曲率半径をＲｂ２、青光路の第二集光レンズ３１Ａの曲率半径をＲａ２とすると、
1.3・Ｒｂ２[mm]≧Ｒａ２[mm]≧1.1・Ｒｂ２[mm]
にすることで第１の実施形態と同様の効果が見込める。

（第５の実施形態）
クロスダイクロイックプリズムの替わりにＴＩＲプリズムを使用する投写型表示装置（不図示）の場合、青、緑、赤の３光路とも光路長は同じに設定されるが、この場合も青の光路と緑の光路のコンデンサレンズを第１及び第３の実施形態と同じ方法をとることで同様の効果となる。

本発明の第１の実施形態である赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの特徴部を示す図である。 本発明の第２の実施形態である赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの特徴部を示す図である。 本発明の第３の実施形態である赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの特徴部を示す図である。 本発明の第４の実施形態である赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの特徴部を示す図である。 本発明の第４の実施形態の変形例である赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの特徴部を示す図である。 赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの従来構成を示す図である。 赤リレータイプの３板式液晶プロジェクタの別の従来構成を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 反射鏡
４、５ インテグレータレンズ
６ 偏光変換素子
７ 集光レンズ（第一集光レンズ）
８、９ ダイクロイックミラー
１０、１１、１２ 反射ミラー
１３Ａ、１３B、１３C コンデンサレンズ
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ 入射側の偏光板
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ 液晶ライトバルブ
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ 出射側の偏光板
１７、１８ リレーレンズ
１９ クロスダイクロイックプリズム
２０ 投写レンズ
２１ 投写スクリーン
３１Ａ、３１Ｂ 第二集光レンズ

Claims (2)

1. 白色光を発する光源と、
   前記光源から出射された白色光のうち青色光を反射し緑色光及び赤色光を透過する第１の色分離光学系と、
   前記第１の色分離光学系を透過した緑色光及び赤色光のうち緑色光を反射し赤色光を透過する第２の色分離光学系と、
   前記第１の色分離光学系によって反射された青色光に対して変調を施す第１の変調手段と、
   前記第２の色分離光学系によって反射された緑色光に対して変調を施す第２の変調手段と、
   前記第２の色分離光学系にて透過した赤色光に対して変調を施す第３の変調手段と、
   前記第１、第２、第３の変調手段によりそれぞれ変調された青色、緑色、赤色の光束を合成する色合成光学系と、
   前記第１の色分離光学系と前記第１の変調手段との間の青光路上に設けられた第１のレンズと、
   前記第２の色分離光学系と前記第２の変調手段との間の緑光路上に設けられた第２のレンズとを有し、
   前記第１の色分離光学系から前記第１の変調手段までの青色光の光路長と前記第１の色分離光学系から前記第２の変調手段までの緑色光の光路長とが等しく設計されている投写型表示装置において、
   青光路における前記第１のレンズと前記第１の変調手段との距離が、緑光路における前記第２のレンズと前記第２の変調手段との距離よりも短いことを特徴とする投写型表示装置。
2. 白色光を発する光源と、
   前記光源から出射された白色光のうち青色光を反射し緑色光及び赤色光を透過する第１の色分離光学系と、
   前記第１の色分離光学系を透過した緑色光及び赤色光のうち緑色光を反射し赤色光を透過する第２の色分離光学系と、
   前記第１の色分離光学系によって反射された青色光に対して変調を施す第１の変調手段と、
   前記第２の色分離光学系によって反射された緑色光に対して変調を施す第２の変調手段と、
   前記第２の色分離光学系にて透過した赤色光に対して変調を施す第３の変調手段と、
   前記第１、第２、第３の変調手段によりそれぞれ変調された青色、緑色、赤色の光束を合成する色合成光学系と、
   前記第１の色分離光学系と前記第１の変調手段との間の青光路上に設けられた第１のレンズと、
   前記第２の色分離光学系と前記第２の変調手段との間の緑光路上に設けられた第２のレンズとを有し、
   前記第１の色分離光学系から前記第１の変調手段までの青色光の光路長と前記第１の色分離光学系から前記第２の変調手段までの緑色光の光路長とが等しく設計されている投写型表示装置において、
   青光路における前記第１のレンズと前記第１の変調手段との距離が、緑光路における前記第２のレンズと前記第２の変調手段との距離と同じであり、かつ、青光路における前記第１のレンズの曲率半径が、緑光路における前記第２のレンズの曲率半径より大きいことを特徴とする投写型表示装置。

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