JP2006189700A - プロジェクタおよび背面投射型ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 透過型スクリーンが薄型化された場合でも、映像のシンチレーションを防止することが可能な、プロジェクタを提供する。
【解決手段】 光源１１０からの光を変調して映像光を投射するための複数の光学要素のうち、一つまたは複数の光学要素（例えば、インテグレータ１１５）を振動させる駆動手段１２０を備えている。この構成によれば、プロジェクタ１２から投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プロジェクタおよび背面投射型ディスプレイ装置に関するものである。

透過型スクリーンを備えた背面投射型ディスプレイ装置として、リアプロジェクションテレビが知られている。
図１は、リアプロジェクションテレビの側面断面図である。リアプロジェクションテレビは、光源としてのプロジェクタ１２から映像光を投射し、反射鏡１３，１４により反射させて、略長方形平板状をなす透過型スクリーン２０の背面に映像光を入射させるものである。

図４は、透過型スクリーンの平面断面図である。透過型スクリーン２０は、映像光を略平行光に変換するフレネルレンズ３０が光源側に配置され、映像光を単位レンズごとに発散させるレンチキュラーレンズアレイ（拡散レンズアレイ）４０が観察者側に配置されて構成されている。これにより、透過型スクリーンの正面に位置する観察者が、透過した映像光を観察しうるようになっている（例えば、特許文献１および２参照）。
特開２００２−２３６３１９号公報 米国特許第６３０７６７５号明細書 特許第３００２４７７号公報 実開平１−１１７６３４号公報

近時では、透過型スクリーン２０の薄型化が要求されている。これにより、透過型スクリーン２０を軽量化しなおかつ低コスト化することが可能になり、しかも透過型スクリーン２０の解像度および鮮鋭度を向上させることができるからである。なお、特許文献３および４では、フレネルレンズのフィルム化が検討されている。
しかしながら、透過型スクリーン２０が薄型化されると、第１拡散板３３や第２拡散板４３の厚さが薄くなり、またフレネルレンズ３０とレンチキュラーレンズアレイ４０との距離が短くなるので、映像のシンチレーションが発生するおそれがある。シンチレーションとは、観察者の視点の変化に伴って映像光の輝度が変化し、画像がぎらついて見える現象である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、映像のシンチレーションを防止することが可能な、プロジェクタの提供を目的とする。
また、表示品質に優れた背面投射型ディスプレイ装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のプロジェクタは、光源からの光を変調して映像光を投射するプロジェクタであって、複数の光学要素を経由して投射される映像光の光学的距離を変動させる手段を備えていることを特徴とする。
そして、前記変動手段は、前記光源の振動手段、前記光源からの光を所定方向に反射する反射鏡の振動手段、前記光源からの光を所定領域に対して略均一に照射するインテグレータの振動手段、前記光源からの光を変調する光変調手段の振動手段、前記映像光を拡大投射する投射レンズの振動手段のいずれであってもよく、前記光源からの光路に配置された光拡散板の振動手段であってもよい。
この構成によれば、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。

また、前記振動手段の振幅は、前記プロジェクタから投影された映像における振動の振幅が、前記映像における画素幅の１／４以下となる振幅であることが望ましい。
この構成によれば、投影された映像におけるボケの発生を防止することができる。

また、前記振動手段の振幅は、前記プロジェクタから投影された映像における振動の振幅が、可視光の波長の１／４以上となる振幅であることが望ましい。
この構成によれば、投影された映像におけるスペックルパターンの発生を防止することができる。

また、前記光源からの光の変調周波数は、６０Ｈｚ以下であることが望ましい。
この構成によっても、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。

一方、本発明の他のプロジェクタは、透過する色光を順に切り替えるカラーホイールと、異なる色光ごとに変調を行う光変調手段とを、同期させて駆動する単板式プロジェクタであって、前記カラーホイールの表面が凹凸構造をもつことを特徴とする。
この構成によれば、光拡散板からなるカラーホイールが高速で回転駆動されるので、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。

一方、本発明の背面投射型ディスプレイ装置は、上述したプロジェクタと、前記プロジェクタから投射された映像光を背面から入射させ、正面に映像を表示する透過型スクリーンと、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、映像のシンチレーションを防止することが可能なプロジェクタを備えているので、映像の表示品質に優れた背面投射型ディスプレイ装置を提供することができる。

本発明のプロジェクタは、光源からの光を変調して映像光を投射するための複数の光学要素のうち、一つまたは複数の光学要素を振動させる駆動手段を備えている構成としたので、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態につき、図面を参照しながら詳細に説明する。
（背面投射型ディスプレイ装置）
図１は、背面投射型ディスプレイ装置の一例であるリアプロジェクションテレビの側面断面図である。図１に示すリアプロジェクションテレビ１０は、映像光を投射するプロジェクタ１２と、映像光を反射する反射鏡１３，１４と、映像光を背面から入射させ正面に映像を表示する透過型スクリーン２０と、透過型スクリーン２０の正面を外部に露出させつつ全体を覆う筐体１１とを主として構成されている。

（プロジェクタ）
図２は、第１実施形態に係る三板式プロジェクタの概略構成図である。このプロジェクタ１１２は、高圧水銀ランプ等の白色光源１１０を備えている。その光源１１０の下流側に、レンズアレイ等からなるインテグレータ１１５が配設されている。インテグレータ１１５は、その下流側に配置された液晶ライトバルブ１３６，１４６，１５６の光変調領域を均一に照明するものである。そのインテグレータ１１５の下流側に、青色光１３０のみを透過する青色光分光ミラー１３２、緑色光１４０を反射し赤色光を透過する緑色光分光ミラー１４２、および赤色光１５０を反射する赤色光分光ミラー１５２が順に設けられている。

青色光分光ミラー１３２の下流側には、青色光１３０を平行光に変換する平行光変換レンズ１３４と、青色光１３０を変調して青色映像光を作成する光変調手段としての青色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「青色光用ＬＶ」という。）１３６と、青色光を反射する青色光集光ミラー１３８とが設けられている。同様に、緑色光分光ミラー１４２の下流側には、平行光変換レンズ１４４と、緑色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「緑色光用ＬＶ」という。）１４６と、緑色光を反射し青色光を透過する緑色光集光ミラー１４８とが設けられている。赤色光分光ミラー１５２の下流側には、平行光変換レンズ１５４と、赤色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「赤色光用ＬＶ」という。）１５６と、赤色光１５０のみを透過する赤色光集光ミラー１５８とが設けられている。
そして、各色光集光ミラー１３８，１４８，１５８の下流側には、映像光を拡大投射する投射レンズ１６０が設けられている。

上述したように、プロジェクタ１１２には、光源１１０からの光を変調して映像光を投射するための複数の光学要素が設けられている。本実施形態では、複数の光学要素を経由して投射される映像光の光学的距離を変動させる手段を備えている。この光学的距離とは光から見た距離という意味である。同じ距離でも、光を通す媒体の屈折率が変化すれば、光学的距離が変化することになる。もちろん、単に物理的な距離を変化させても、光学的距離は変化する。
本実施形態では、複数の光学要素を経由して投射される映像光の光学的距離を変動させる手段として、その複数の光学要素のうち一つまたは複数の光学要素（例えば、インテグレータ１１５）の振動手段として、振動させる駆動手段１２０を備えている。なお振動させる光学要素として、インテグレータ１１５以外にも、例えば光源１１０、各色光分光ミラー１３２，１４２，１５２、平行光変換レンズ１３４，１４４，１５４、各色光用ＬＶ１３６，１４６，１５６、各色光集光ミラー１３８，１４８，１５８、投射レンズ１６０などが挙げられる。
駆動手段１２０には、ピエゾ素子や電磁石等を採用することが可能である。また振動方向は、光路に垂直な方向とすることが望ましい。

（映像表示方法）
次に、第１実施形態のプロジェクタを用いた映像表示方法について説明する。
光源１１０から投射された白色光は、インテグレータ１１５に入射する。インテグレータ１１５は、光源１１０からの光を、各色光用ＬＶ１３６，１４６，１５６の光変調領域に対して均一に照射する。そのインテグレータ１１５からの出射光は、青色光分光ミラー１３２において青色光１３０が分光され、緑色光分光ミラー１４２において緑色光１４０が分光され、赤色光分光ミラー１５２において赤色光１５０が分光される。

分離された青色光１３０は、平行光変換レンズ１３４により平行光に変換され、青色光用ＬＶ１３６の光変換領域に入射する。青色光用ＬＶ１３６では、入射光が画素ごとに変調されて青色映像光が生成される。同様に、分離された緑色光１４０が緑色光用ＬＶ１４６に入射して緑色映像光が生成され、赤色光１５０が赤色光用ＬＶ１５６に入射して赤色映像光が生成される。そして、青色光集光ミラー１３８により青色映像光が集光され、緑色光集光ミラー１４８により緑色映像光が集光され、赤色光集光ミラー１５８により赤色映像光が集光される。これにより、各色映像光が合成されて映像光が生成される。生成された映像光は、投射レンズ１６０によって拡大投射される。

図１に示すプロジェクタ１２から出射された映像光は、透過型スクリーン２０に入射する。図４に示す透過型スクリーン２０では、映像光を略平行光に変換するフレネルレンズ３０が光源側に配置され、映像光を単位レンズごとに発散させるレンチキュラーレンズアレイ（拡散レンズアレイ）４０が観察者側に配置されている。

近時、透過型スクリーン２０におけるフレネルレンズ３０のフィルム化が検討されている。これは、基材３２の光源側表面の粗面化等により第１拡散部を形成し、第１拡散板３３を廃止して、フレネルレンズ３０を厚さ０．８ｍｍ以下に薄型化するものである。これにより、透過型スクリーン２０を軽薄化し、なおかつ低コスト化することができる。また、透過型スクリーン２０の解像度および鮮鋭度を向上させることができる。

しかしながら、透過型スクリーン２０が薄型化されると、第１拡散部の厚さが薄くなり、またフレネルレンズ３０とレンチキュラーレンズアレイ４０との距離が短くなるので、映像のシンチレーションが発生するおそれがある。シンチレーションとは、観察者の視点の変化に伴って映像光の輝度が変化し、画像がぎらついて見える現象である。

そこで、本実施形態では、複数の光学要素を経由して投射される映像光の光学的距離を高速で変動させる。そのため、図２のプロジェクタ１１２を構成する光学要素を高周波数で振動させつつ、映像光を投射する。例えば、光源１１０の下流側に配置されたインテグレータ１１５を、駆動手段１２０により光路と垂直な方向に振動させる。その振動の周波数は、６０Ｈｚ以上とすることが望ましい。これにより、高周波数で振動する映像光が生成され、映像光の輝度を高速で変化させることが可能になる。

なお、プロジェクタ１１２から投影された映像における振動の振幅が、その映像における画素幅の１／４以下となる振幅で、光学要素を振動させることが望ましい。投影された映像が画素幅の１／４以上の振幅で振動すると、映像にボケが発生するからである。一例を挙げれば、透過型スクリーンに投影された映像の画素幅は約１ｍｍであるから、透過型スクリーンに投影された映像における振動の振幅が２５０μｍ以下となるように、光学要素の振動振幅の上限を設定する。

また、プロジェクタ１１２から投影された映像における振動の振幅が、可視光の波長の１／４以上となる振幅で、光学要素を振動させることが望ましい。投影された映像が可視光波長の１／４以下の振幅で振動すると、映像にスペックルパターン（干渉じま）が発生するからである。具体的には、可視光の波長が約４００〜６００ｎｍであるから、透過型スクリーンに投影された映像における振動の振幅が１００ｎｍ以上となるように、光学要素の振動振幅の下限を設定する。

以上に詳述したように、第１実施形態では、光源からの光を変調して映像光を投射するための複数の光学要素のうち、一つまたは複数の光学要素を経由して投射される映像光の光学的距離を変動させる手段を備え、光学要素を振動させつつ映像光を投射する構成とした。この構成によれば、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になる。そして、その映像光を透過型スクリーンに入射させることにより、映像のシンチレーションを防止することができる。

なお、光学要素を振動させる構成に代えて、またはこれとともに、各色光用ＬＶの変調周波数を６０Ｈｚ以上としてもよい。この場合にも、映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。
また、次述する第２実施形態と同様に、光拡散板を光路上に配置してもよい。この光拡散板を回転させたり、振動させたりすることにより、映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態につき、図３を用いて説明する。
図３（ａ）は、第２実施形態に係る単板式プロジェクタの概略構成図である。第２実施形態に係るプロジェクタ２１２は、透過する色光を順に切り替えるカラーホイール２９０と、異なる色光ごとに変調を行う液晶ライトバルブ２４６とを、同期させて駆動する単板式プロジェクタ２１２であって、そのカラーホイール２９０が光拡散板で構成されている点で、第１実施形態と相違している。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る単板式プロジェクタでは、光源２１０の下流側に、インテグレータ２１５、ミラー２４２、平行光変換レンズ２４４、光変調手段としての液晶ライトバルブ２４６、ミラー２４８および投射レンズ２６０が設けられている。このように、一組の平行光変換レンズ２４４および液晶ライトバルブ２４６のみが設けられ、各色光の分光ミラーや集光ミラーは設けられていない。ただし、液晶ライトバルブ２４６の下流側には、カラーホイール２９０が設けられている。

図３（ｂ）は、カラーホイールの正面図である。カラーホイール２９０は、異なる色光を透過するカラーフィルタを周方向に配置して構成されている。図３（ｂ）のカラーホイール２９０は、赤色光透過フィルタＲ、緑色光透過フィルタＧ、および青色光透過フィルタＢを備えている。第２実施形態では、このカラーホイール２９０が光拡散板で構成されている。具体的には、カラーフィルタの表面を粗面化したり、カラーフィルタの表面に拡散フィルムを装着したりして、光学的な微小凹凸が形成されている。なお、粗面化によりカラーフィルタの表面に形成される凹凸の高さは、５０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることが望ましい。そして、そのカラーホイール２９０が、プロジェクタ内部の光路上に配置されている。なお、図３（ａ）では液晶ライトバルブ２４６の下流側に配置されているが、光路上であればどこに配置してもよい。

次に、第２実施形態のプロジェクタを用いた映像表示方法について説明する。
第２実施形態に係る単板式プロジェクタ２１２では、カラーホイール２９０と液晶ライトバルブ２４６とを同期させて駆動する。例えば、カラーホイール２９０において赤色光透過フィルタが光路上に配置されているときは、液晶ライトバルブ２４６において赤色画像光を生成するための光変調を行うというように、カラーホイール２９０と液晶ライトバルブ２４６とを色光ごとに同期させて高速で切り替え駆動する。ここでは、カラーホイール２９０が高速で回転駆動されるので、映像光の光路を高速に変調させることが可能になる。したがって、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることができる。

以上に詳述したように、第２実施形態に係るプロジェクタでは、透過する色光を順に切り替えるカラーホイールと、異なる色光ごとに変調を行う液晶ライトバルブとを、同期させて駆動する単板式プロジェクタであって、そのカラーホイールの表面が光学的に微小な凹凸構造をもつ構成とした。この構成によれば、表面に光学的に微小な凹凸構造をもつカラーホイールが高速で回転駆動されるので、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になる。そして、その映像光を透過型スクリーンに入射させることにより、映像のシンチレーションを防止することができる。

なお、カラーホイールの表面に微小な凹凸を形成することに代えて、またこれとともに、第１実施形態と同様の構成を採用してもよい。すなわち、第２実施形態に係る単板式プロジェクタにおいて、第１実施形態と同様に光学要素を振動させてもよく、液晶ライトバルブの変調周波数を６０Ｈｚ以上としてもよい。いずれの場合にも、映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。

なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
これら映像光の光学的な距離を高速変調する手段は、光源と液晶パネルのような光変調手段との間に位置した場合、画像を表示する光変調手段と、レンズとスクリーンの位置関係が変化しないためより解像度の高い画像を観察可能になる。
また、映像光の光学的な距離を高速変調する手段が、液晶パネルのような光変調手段とスクリーンの間に位置した場合、スクリーン上の画像が微小に振動することで画素の境界のない滑らかな映像を観察可能になる。
なお、上述した実施形態では、光変調手段として液晶ライトバルブを採用したが、液晶ライトバルブの一種であるＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を採用することも可能であり、また光変調手段としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を採用することも可能である。

リアプロジェクションテレビの側面断面図である。 第１実施形態に係る三板式プロジェクタの概略構成図である。 第２実施形態に係る単板式プロジェクタの概略構成図である。 透過型スクリーンの平面断面図である。

符号の説明

１２‥プロジェクタ １１０‥光源 １１５‥インテグレータ １２０‥駆動手段

Claims (12)

1. 光源からの光を変調して映像光を投射するプロジェクタであって、
   複数の光学要素を経由して投射される映像光の光学的距離を変動させる手段を備えていることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記変動手段は、前記光源の振動手段であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記変動手段は、前記光源からの光を所定方向に反射する反射鏡の振動手段であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
4. 前記変動手段は、前記光源からの光を所定領域に対して略均一に照射するインテグレータの振動手段であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
5. 前記変動手段は、前記光源からの光を変調する光変調手段の振動手段であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
6. 前記変動手段は、前記映像光を拡大投射する投射レンズの振動手段であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
7. 前記変動手段は、前記光源からの光路に配置された光拡散板の振動手段であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
8. 前記振動手段の振幅は、前記プロジェクタから投影された映像における振動の振幅が、前記映像における画素幅の１／４以下となる振幅であることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれかに記載のプロジェクタ。
9. 前記振動手段の振幅は、前記プロジェクタから投影された映像における振動の振幅が、可視光の波長の１／４以上となる振幅であることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれかに記載のプロジェクタ。
10. 前記光源からの光の変調周波数は、６０Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
11. 透過する色光を順に切り替えるカラーホイールと、異なる色光ごとに変調を行う光変調手段とを、同期させて駆動する単板式プロジェクタであって、
    前記カラーホイールの表面が凹凸構造をもつことを特徴とするプロジェクタ。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のプロジェクタと、
    前記プロジェクタから投射された映像光を背面から入射させ、正面に映像を表示する透過型スクリーンと、
    を備えたことを特徴とする背面投射型ディスプレイ装置。

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