JP2006113194A

JP2006113194A - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP2006113194A
Application number: JP2004298979A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Okuyama; 奥山　　敦; Masayuki Abe; 阿部　　雅之
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】コントラストを強調した投射状態と明るさを強調した投射状態を実現することができる投射型表示装置を提供すること。
【解決手段】光源とリフレクターと照明光学系と偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子と投射レンズとを備え、前記反射型液晶表示素子により形成された画像を被投射面に投射する投射型表示装置であって、前記照明光学系は、光束分離手段と集光手段とを有し、前記集光手段の焦点距離を可変とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型液晶表示素子を用いた投射型表示装置に関する。

反射型液晶表示素子を用いた画像投射装置において、反射型液晶表示素子を照明する照明光を偏光ビームスプリッターを用いて導き、更に反射型液晶表示素子で画像変調した光を２つの偏光ビームスプリッターを用いて検光する構成が特許文献１に開示されている。特許文献１では、図８に示すように４つの偏光ビームスプリッター１１８，１２０，１２４，１２８と３つの色選択性位相差板１１６，１２６，１３４で構成されている。ここで、色選択性位相差板とは可視光の波長領域において所定の波長領域の光の偏光方向を９０度変換し、その他の波長の光の偏光方向は変化させない作用を有するものである。

特許文献１においては、光源からの直線偏光光（Ｓ偏光）を第１の色選択性位相差板１１６により青（Ｂ）の光のみ偏光方向を９０度回転させ（Ｐ偏光）、第１の偏光ビームスプリッター１１８に入射し、Ｐ偏光であるＢの光を透過し、Ｓ偏光であるＢ以外の緑（Ｇ）と赤（Ｒ）の光を反射することで色分離を行い、Ｂの光（Ｐ偏光）は第２の偏光ビームスプリッター１２０を透過して反射型液晶表示装置Ｂ１２２に至り、ＧＲの光は第２の色選択性位相差板１２６に入射し、Ｇの偏光方向のみ９０度変換され（Ｐ偏光）、第２の偏光ビームスプリッターによりＰ偏光であるＧの光を透過し、Ｓ偏光であるＲの光を反射することで色分離され、ＧＲのそれぞれの光は反射型液晶表示装置Ｇ１３２、反射型液晶表示装置Ｒ１３０に至る。

反射型液晶表示装置Ｂ１２２で画像変調された光のＰ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッター１２０を透過し、光源側に戻り、Ｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１２０を反射して投射光となる。反射型液晶表示装置Ｒ１３０で画像変調された光のＳ偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッター１２８を反射して光源側に戻り、Ｐ偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッター１２８を透過して投射光となる。

反射型液晶表示装置Ｇ１３２で画像変調された光のＰ偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッター１２８を透過し光源側に戻り、Ｓ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を反射して投射光となる。ＧとＲの投射光は第３の色選択性位相差板１３４に入射しＧの偏光方向が９０度回転し、ＧＲの光はＰ偏光に揃えられ、第４の偏光ビームスプリッター１２４を透過し、Ｓ偏光であるＢの光は第４の偏光ビームスプリッター１２４を反射し、ＲＧＢの光は１つに合成されることにより、カラーの画像を投影する構成となっている。

米国特許第６１８３０９１号明細書

投射する画像光の明るさを明るくするためには光源から反射型画像表示素子に至る光の利用効率を上げなければならない。このためには照明系のＦＮＯを小さく、つまり反射型画像表示素子における照明光束の張る角度を大きくしなければならない。ここで、色合成系に偏光ビームスプリッターを使用しているとき、偏光ビームスプリッターにおいては所定の設計入射角度においては図９（ａ）に示すような理想的な変更分離作用を示すが、設計入射角度からずれた入射角度においては図９（ｂ）に示すように偏光分離特性の変化が発生してしまう。これは色合成系における偏光ビームスプリッターには検光子としての機能もあるので、偏光分離特性が悪化すると検光度が低下し、投射画像においてはコントラストが低下するという問題が発生していた。そのため、従来はコントラストが十分得られる照明光束で照明するような照明系の構成とし、投影画像の明るさを明るくすることができなかった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、コントラストを強調した投射状態と明るさを強調した投射状態を実現することができる投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、光源とリフレクターと照明光学系と偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子と投射レンズとを備え、前記反射型液晶表示素子により形成された画像を被投射面に投射する投射型表示装置であって、前記照明光学系は、光束分離手段と集光手段とを有し、前記集光手段の焦点距離を可変としたことを特徴とする。

本発明によれば、反射型液晶表示素子で集光する光束の広がりを変更可能とすることができ、光束の広がりを小さくしたときには偏光ビームスプリッターにおける角度特性が向上し、コントラストを強調した投射状態を実現でき、光束を広げたときには多くの光量を投影する明るさを強調した投射状態を実現できるようになる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１を示す図である。図中、１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２は光源１からの光を所定の方向に集光するリフレクターである。３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、３ｂは第１のフライアイレンズ３ａの個々のレンズに対応したレンズアレイを有する第２のフライアイレンズである。Ｓ１は開口絞り、４は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子、５ａはコンデンサーレンズ、５ｂはフィールドレンズ、５ｃは反射ミラーである。６ａはＲ（赤）の光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ（青）の光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板、６ｂはＲ（赤）の光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ（青）の光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。

７はＧ（緑）の光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ，Ｒの光の偏光方向は変換しない第３の色選択性位相差板である。８ａ，８ｂは第１の１／２波長板、第２の１／２波長板である。９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄはＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッター、第３の偏光ビームスプリッター、第４の偏光ビームスプリッターである。１０はＧとＲの中間の波長領域の光をカットするカラーフィルターである。１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは光を反射し、画像変調して画像を表示する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。１３は投射レンズである。

次に、光学的な作用を説明する。

光源１から発した光はリフレクター２により所定の方向に集光される。ここで、リフレクター２は放物面形状に形成されており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に平行な光束となる。ここで、光源１は理想的な点光源ではなく有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸に平行でない光の成分も多く含まれている。これらの集光光束は第１のフライアイレンズ３ａに入射する。

第１のフライアイレンズ３ａは外形が矩形の正の屈折力を有するレンズをマトリックス状に組み合わせて構成されており、入射した光束はそれぞれのレンズに応じた複数の光束に分割され、且つ、集光され、第２のフライアイレンズ３ｂを経てマトリックス状に複数の光源像を偏光変換素子の近傍に形成する。偏光変換素子４は、偏光分離面と反射面と１／２波長板とを有し、マトリックス状に集光する複数の光束はその列に対応した偏光分離面に入射し、透過するＰ偏光成分の光と反射するＳ偏光成分の光に分割される。反射されたＳ偏光成分の光は反射面４ｂで反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射する。

一方、透過したＰ偏光成分の光は、１／２波長板４ｃを透過しＳ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向（・）が揃った光として射出する。偏光変換された複数の光束は、偏光変換素子４を射出後、発散光束として集光光学系５に至る。集光光学系５は、コンデンサーレンズ５ａとフィールドレンズ５ｂとを有している。

ダイクロイックミラー６は、図２の実線で示すような特性を有しており、Ｂ，Ｇ（４３０〜５７０ｎｍ）の光は透過し、Ｒ（５９０〜６５０ｎｍ）の光は反射する。

図１においては、偏光変換素子４においてＳ偏光であった光はダイクロイックミラー６に対してもＳ偏光（・）である。

Ｒの光路において、ダイクロイックミラー６を反射した光は、カラーフィルター７に入射する。カラーフィルター７は図２の点線で示すような特性を有しており、ＧとＲの中間の波長領域にあたる黄色の色光（５７５〜５８５ｎｍ）を反射するダイクロイックフィルターとし、黄色の光を除去する。緑の光に黄色の色成分が多いと緑が黄緑になってしまうので黄色の光を除去する方が色再現上望ましい。又、カラーフィルター７は黄色の光を吸収する特性でも良い。

色を調整された光は、第１の偏光ビームスプリッター１０ａに対してＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子１１ｒへと至る。Ｒ用の反射型液晶表示素子１１ｒにおいてＲの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のＳ偏光成分（・）は、再び偏光分離面を反射し、光源側に戻され投射光から除去される。画像変調されたＲの反射光のＰ偏光成分（｜）は偏光分離面を透過し投射光となる。このとき、全ての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において第１の偏光ビームスプリッター１０ａとＲ用の反射型液晶表示素子１１ｒの間に設けられた１／４波長板１２ｒの遅相軸を所定の方向に調整し、第１の偏光ビームスプリッター１０ａとＲ用の反射型液晶表示素子１１ｒで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。

第１の偏光ビームスプリッター１０ａを透過した光（｜）は、偏光方向に対して遅相軸が４５度に配置された第１の１／２波長板９ａにより偏光方向が９０度回転され、第３の偏光ビームスプリッター１０ｃに対してはＳ偏光（・）として入射し、偏光分離面で反射されて、投射レンズ１３へと至る。

ここで、第１の１／２波長板９ａの遅相軸を回転調整できるようにしておくと、第３の偏光ビームスプリッター１０ｃの偏光分離面に入射するＧの光の偏光方向を調整することができる。取り付け誤差等による第１の偏光ビームスプリッター１０ａの偏光分離面と第３の偏光ビームスプリッター１０ｃの偏光分離面との間に相対的な傾きがあるとき等は、この調整機構により第３の偏光ビームスプリッター１０ｃにおける非投射光の漏れが最小となるようにでき、Ｇにおける黒表示の画像調整が可能となる。

ダイクロイックミラー６を透過したＧとＢの光は、第１の色選択性位相差板８ａに入射する。第１の色選択性位相差板８ａは、Ｇの光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＧの光はＰ偏光（｜）として、Ｂの光はＳ偏光（・）として第２の偏光ビームスプリッター１０ｂに入射する。よって、第２の偏光ビームスプリッター１０ｂにおいてＧの光は偏光分離面を透過してＧ用の反射型液晶表示素子１１ｇに至り、Ｂの光は偏光分離面を反射してＢ用の反射型液晶表示素子１１ｂに至る。

Ｇ用の反射型液晶表示素子１１ｇにおいてＧの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のＰ偏光成分（｜）は、再び偏光分離面を透過し、光源側に戻され投射光から除去される。画像変調されたＧの反射光のＳ偏光成分（・）は、偏光分離面で反射し投射光となる。同様にＢ用の反射型液晶表示素子１１ｂにおいてＢの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のＳ偏光成分（・）は、再び偏光分離面を反射し、光源側に戻され投射光から除去される。画像変調されたＢの反射光のＰ偏光成分（｜）は偏光分離面を透過し投射光となる。これによりＧとＢの投射光は、１つの光束に合成される。このとき、第２の偏光ビームスプリッター１０ｂとＧ用、Ｂ用の反射型液晶表示素子１１ｇ，１１ｂの間に設けられた１／４波長板１２ｇ，１２ｂの遅相軸を調整してＲの場合と同じようにＧ、Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行う。

合成されたＧとＢの投射光は第２の色選択性位相差板８ｂに入射する。第２の色選択性位相差板８ｂは、第１の色選択性位相差板８ａと同じものでＧの偏光方向のみを９０度回転し、Ｇ，Ｂ共にＰ偏光（｜）として第３の偏光ビームスプリッター１０ｃに入射し、偏光分離面を透過することでＲの投射光と合成される。

ここで、第２の色選択性位相差板８ｂと第３の偏光ビームスプリッター１０ｃの間に第２の１／２波長板９ｂを配置し、第２の１／２波長板の遅相軸を透過する偏光方向と同じ方向（偏光状態を変換しない方向）に配置し、Ｒのときと同じように第２の１／２波長板の遅相軸の傾き調整を行うことで、Ｒ，Ｂの光の偏光方向が第３の偏光ビームスプリッター１０ｃの偏光分離面に対して適切に入射するように調整し、第３の偏光ビームスプリッター１０ｃにおける非投射光の漏れが最小となるようにでき、Ｇ，Ｂにおける黒表示の画像調整が可能となる。

合成されたＲＧＢの投射光は、投射レンズ１３によりスクリーン等の投射面に投影される。

図３（ａ），（ｂ）は集光光学系を構成するレンズの配置を表しており、図３（ａ）において集光光学系の焦点距離が最も短く、照明光束の広がりが大きい状態（明るさ重視）で、図３（ｂ）において照明光学系の焦点距離が最も長く、照明光束の広がりが小さい状態（コントラスト重視）である。図３（ａ），（ｂ）のレンズデータを表１に示す。

表１において、面１〜２が第１のコンデンサーレンズ５ａ、面７〜８がフィールドレンズ５ｂ（５ｂ’）、面３〜４が第１の変倍レンズ５ｃ、面５〜６が第２の変倍レンズ５ｄである。変倍レンズ系を構成するレンズ５ｃ，５ｄを挿脱することによって集光光学系の焦点距離を切り替えている。

＜実施の形態２＞
図４は本発明の実施の形態を示すす図である。図４において、集光光学系を構成するコンデンサーレンズ２５ａ、フィールドレンズ２５ｂ、変倍レンズ２５ｃ以外の実施の形態１と同じ素子には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

図５（ａ），（ｂ）は集光光学系を構成するコンデンサーレンズ２５ａ、フィールドレンズ２５ｂ、変倍レンズ２５ｃの配置を表しており、図５（ａ）は集光光学系の焦点距離が最も短く、照明光束の広がりが大きい状態（明るさ重視）であり、図５（ｂ）は照明光学系の焦点距離が最も長く、照明光束の広がりが小さい状態（コントラスト重視）である。

図５（ａ），（ｂ）のレンズデーターを表２に示す。

表２において、面１〜２が第１のコンデンサーレンズ２５ａ、面５〜６がフィールドレンズ２５ｂ（２５ｂ’）、面３〜４が変倍レンズ２５ｃである。変倍レンズ２５ｃを挿脱することによって集光光学系の焦点距離を切り替えている。上記の実施の形態１では集光光学系の焦点位置は反射型画像表示素子上にできるように切り替わる構成であるので２つのレンズを挿脱しているが、本実施の形態においては集光光学系の焦点距離が長い（コントラスト重視の）状態では、焦点位置が反射型画像表示素子よりも遠くにできるようにし、挿脱するレンズを１つにしている。

＜実施の形態３＞
図６は本発明の実施の形態３を示す図である。図６において、集光光学系を構成する第１のコンデンサーレンズ３５ａ、第２のコンデンサーレンズ３５ｂ、フィールドレンズ３５ｃ以外の実施の形態１と同じ素子には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。本実施の形態においては集光光学系をズームできる構成とし、連続的に照明光束の広がり状態を変化できるようにしている。

図７（ａ），（ｂ）は集光光学系を構成する第１のコンデンサーレンズ３５ａ、第２のコンデンサーレンズ３５ｂ、フィールドレンズ３５ｃの配置を表しており、図７（ａ）は集光光学系の焦点距離が最も短く、照明光束の広がりが大きい状態（明るさ重視）であり、図７（ｂ）は照明光学系の焦点距離が最も長く、照明光束の広がりが小さい状態（コントラスト重視）である。

図７（ａ），（ｂ）のレンズデータを表３に示す。

表３において、面１〜２が第１のコンデンサーレンズ３５ａ、面３〜４が第２のコンデンサーレンズ、面５〜６がフィールドレンズ３５ｃ（３５ｃ’）である。レンズ間隔を可変とすることによって焦点距離を変更している。

本発明の実施の形態１を説明する図である。ダイクロミラー、ダイクロフィルターの特性を説明する図である。本発明の実施の形態１の集光光学系を説明する図である。本発明の実施の形態２を説明する図である。本発明の実施の形態２の集光光学系を説明する図である。本発明の実施の形態３を説明する図である。本発明の実施の形態３の集光光学系を説明する図である。従来例を説明する図である。偏光ビームスプリッターの偏光分離特性を説明する図である。

符号の説明

１光源
２リフレクター
３ａ第１のフライアイレンズ
３ｂ第２のフライアイレンズ
５ａコンデンサーレンズ
５ｂフィールドレンズ
５ｃ，５ｄ変倍レンズ
９ａ〜９ｄ第１〜第４の偏光ビームスプリッター
１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ赤用、緑用、青用の反射型液晶表示素子
１３投射レンズ

Claims

光源とリフレクターと照明光学系と偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子と投射レンズとを備え、前記反射型液晶表示素子により形成された画像を被投射面に投射する投射型表示装置であって、
前記照明光学系は、光束分離手段と集光手段とを有し、前記集光手段の焦点距離を可変としたことを特徴とする投射型表示装置。