JP2007248721A

JP2007248721A - 画像表示装置

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Publication number: JP2007248721A
Application number: JP2006070909A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Fujita; 和弘藤田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP4860307B2

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構成で、光学系レイアウトを変更することなく、画素密度を増やし、表示画像の高精細化を図ることができる。
【解決手段】本発明の画像表示装置は、照明光源と、画像を表示する変調素子と、投射光学系と、変調素子への照明光源からの照明光と投射光学系へ向かう結像光を分離する光路分離素子とを含んで構成している。そして、本発明の画像形成装置は、光路分離素子を変位させる変位手段を有することに特徴がある。よって、投射系の光路長を変化させることなく、光路シフト機能を追加できると共に、光学系のレイアウトを損なうことなく、画素数を増大させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は画像表示装置に関し、詳細にはプロジェクションディスプレイなどの電子ディスプレイ装置に応用可能な、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する変調素子をレンズなどで拡大して画像を観察するための画像表示装置に関する。

従来より、変調素子を用いて変調した画像をスクリーンに投射する液晶プロジェクター装置としては、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光及び青色（Ｂ）光のような３つの単色光をそれぞれ変調素子で変調する構成の装置が知られている。液晶プロジェクター装置において、スクリーンに投射された画像を高解像度にするために高精細化する必要がある。そのために、変調素子の画素数の増加、複数のプロジェクター装置によるマルチ画面の構成、緑色光用の画素を半画素ピッチずらした２倍の配置が考えられている。ところが、変調素子の画素数を増加させると、透過型液晶素子においては画素の開口率が低下し、投射輝度が不足するなどの不具合が発生する。また、マルチ画面の構成では、各画面を滑らかに接続することが難しい。更に、緑色光用の画素の半画素ピッチでの２倍の画素数の配置にすることは、ＲＧＢ全帯域の光を１つの投射レンズでスクリーン上に結像するため、投射レンズの有する倍率色収差によって各色に像は厳密に同じ大きさにならず、高解像度の画像は得られない。そこで、特許文献１には、投射光路中に配置されたミラーなどの反射型光路偏光素子によって画像シフトを行う提案がなされている。
特開２００４−０７０３６５号公報

しかしながら、反射型光路偏向素子の配置のため、投射レンズとパネルの間隔（レンズバック）を大きく取る必要があり、レイアウトの自由度が制約される。更には、別途に平行平板素子のスペースが必要となり、投射レンズのバックフォーカスを長くする必要がある。また、レンズ系内部に反射ミラーを構成するため、特殊な投射レンズとなり、汎用の投射レンズを使うことができない。そして、従来からあるエンジン光学系のレイアウト等も見直す必要がある。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、簡単な構成で、光学系レイアウトを変更することなく、画素密度を増やし、表示画像の高精細化を図ることができる画像表示装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の画像表示装置は、照明光源と、画像を表示する変調素子と、投射光学系と、変調素子への照明光源からの照明光と投射光学系へ向かう結像光を分離する光路分離素子とを含んで構成している。そして、本発明の画像形成装置は、光路分離素子を変位させる変位手段を有することに特徴がある。よって、投射系の光路長を変化させることなく、光路シフト機能を追加できると共に、光学系のレイアウトを損なうことなく、画素数を増大させることができる。

また、変位手段は圧電素子や電磁コイルのアクチュエータで構成されていることが好ましい。

更に、変位手段によって変位する光路分離素子の変位量は、投射媒体に投射される画像の画素が重ならないよう設定されることが好ましい。

また、光路分離素子は全反射プリズムで構成されることにより、偏光を必要としない光学系にも適用できる。

更に、光路分離素子は偏光分離スプリッタで構成されることにより、偏光ビームスプリッタを用いた光学系にそのまま適用でき、高精細化できる。

また、光路分離素子は照明光を反射し、かつ結像光を反射させないプリズム型の偏光分離スプリッタである。よって、結像光路として、偏光ビームスプリッタを反射させていないため、配置精度に対して回転誤差の影響を受けなく、高品質な画像が得られる。

更に、光路分離素子は平板型の偏光分離スプリッタであることにより、高速で変位させることができ、高品質な画像を得ることができる。

また、平板型の偏光分離スプリッタは、結像光を基板内で通過させずに、偏光分離機能面で反射させることにより、僅かな変位であっても、光路シフトが可能となり、偏光ビームスプリッタの機能を低下させることなく、光路シフトを生じさせることができる。

本発明の画像形成装置は、光路分離素子を変位させる変位手段を有する。よって、投射系の光路長を変化させずに光路シフト機能を追加でき、光学系のレイアウトを損なうことなく画素数を増大させることができる。

図１は本発明の画像表示装置の原理を示す概略図である。同図を用いて、光路のシフトについての作用について説明する。具体的な偏光ビームスプリッタ１１の回転角度を見積る。入射光が透過光である場合、シフト量ｄは、プリズムの屈折率ｎの媒質から、屈折率ｎ’の媒質の距離ｔを入射角θで入射したとき、屈折率ｎ’の媒質内でθ’の角度で進むとすると、スネルの法則のｎ・ｓｉｎθ＝ｎ’・ｓｉｎθ’より、以下の式で与えられる。

シフト量ｄ＝ｔ×ｔａｎθ’
＝ｔ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（１／ｎ’×ｓｉｎθ））・・・（１）
ただし、ｎ＝１、屈折率ｎ’の媒質の進む距離とプリズム厚はほぼ等しいとした。

ここで、図２には図１の偏光ビームスプリッタ１１のプリズム厚がｔ＝３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ、屈折率が１．５４の場合、式（１）より、回転角度と、光路シフト量を求めた結果を示す。また、図３には図１の偏光ビームスプリッタ１１のプリズム厚をｔ＝４０ｍｍと固定して、回転角度を変化させた場合の光路シフト量を求めた結果を示す。図２，図３からわかるように、プリズム厚がｔ＝４０ｍｍ前後で、角度を数十秒の変位で、数μｍの光路をシフトすることが可能となる。例えば、画素ピッチが１４μｍであれば、その半ピッチの７μｍのシフト量を得るためには、ｔ＝４０ｍｍ、回転角度を５５．６秒とするとよいことがわかる。また、プリズムの内部で反射した場合も全く同様な関係となる。画素ピッチの１／２程度であれば、数十秒から数分の角度変位を生じさせればよいため、本来の光路分離機能や、偏光ビームスプリッタの偏光特性等に影響を与えることなく、光路シフトを行うことが可能となる。また、照明光に関しても、パネル面への照明エリアがシフトすることになるが、その値は画素レベルであるため、照明均一性を損なうことはない。このように、偏光ビームスプリッタの厚さと、この偏光ビームスプリッタの変位により光路をシフトすることが可能となる。さらに、微小な変位により所望の光路のシフトが可能となる。なお、プリズム型のビームスプリッタの例を挙げたが、平板でも同様である。

このようなシフト機能の原理を用い、本発明は画像表示装置の光路分離作像系に本発明のシフト機能を盛り込んだことに特徴がある。

なお、照明光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。また、ＬＥＤランプ、ＬＤなどの単色光も用いられる。近年高輝度な白色ＬＥＤが登場し、本発明の照明光源として適用してもよい。高効率な照明効率を得られるように照明光学系を搭載してもよい。照明光学系の具体例としては、超高圧水銀ランプなど、光源近傍に配置されたリフレクター（光源と一体となっている）や、このリフレクターにより反射されて指向性を持った光束をインテグレータ光学系（フライアイレンズ対）といわれる照度均一化手段でパネル面上へと均一に照明分布を得られるように、照明光学系を搭載してもよい。変調素子であるライトバルブが反射型タイプの場合、図示はしないが、偏光変換素子など用いて、効率の良い照明を行うとよい。

このように、従来のミラーで行っていた光路シフトの方式、装置であると、投射レンズとパネルの間に、これらの偏向素子を配置する必要があり、それらのスペース等が必要となっていたが、本発明の構成を採用することで、光路長を変化させることなく、光路シフト機能を追加できる。また、光路シフト機能の追加によって生じる光学系のレイアウトを損なうこともない。

図４は本発明の第１の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図に示す本実施の形態例の画像表示装置は、少なくとも、照明光源（図示せず）と、画像を表示する変調素子であるライトバルブ２１と、投射光学系（図示せず）と、光路分離素子２２とを含んで構成されている。ライトバルブ２１は、反射型の液晶パネル（Ｌｃｏｓ）や、マイクロミラーデバイスなどが好適である。また、光路分離素子２２としては、全反射プリズム２３，２４を用い、全反射プリズム２３と全反射プリズム２４は同じ屈折率を有し、互いに対向する間にエアギャップ２５が設けられている。光路分離素子はガラス、セラミック、サファイア、プラスティックなどの材料で構成されているものが挙げられる。同図の（ａ）に示すように、照明光は全反射プリズム２３の偏光面で反射してライトバルブ２１に入射され、一点鎖線で囲む部分の拡大図に示すようにライトバルブ２１で形成された変調画像光が全反射プリズム２３の偏光面とエアギャップ２５で屈折し、更に全反射プリズム２４に屈折されて入射されて結像光として全反射プリズム２４から出射され、スクリーン（図示せず）に結像される。そして、光路分離素子２２全体の回転角度を変化させた場合、図４の（ｂ）に示すように、照明光が全反射プリズム２３の偏光面で反射してライトバルブ２１に同図の（ａ）と異なる入射角で入射され、一点鎖線で囲む部分の拡大図に示すようにライトバルブ２１で形成された変調画像光が全反射プリズム２３の偏光面とエアギャップ２５で屈折し、更に全反射プリズム２４に屈折されて入射されて所定のシフト量でシフトされた結像光として全反射プリズム２４から出射され、スクリーン（図示せず）に結像される。このように、図４の（ａ）に示す状態と図４の（ｂ）に示す状態（実線）を交互に切り替えることによって、それぞれの画像投射位置で画像を高速に切り替える。この全反射プリズムで反射する光線の実質厚みｔ’が、図１で説明したプリズム厚みｔに置き換えれば、シフト量の算出が可能である。このような構成であって、偏光を取り扱わない光学系であっても、全反射プリズムを光路シフト機能として用いることにより、光学系のレイアウトを損なうことなく、画素数増大させることができる。

また、図４に示す実施の形態例以外に、例えば偏光ビームスプリッタ、反射型液晶パネル（Ｌｃｏｓ）をライトバルブとして用いる作像系、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いる実施の形態例が考えられる。光路分離素子としての偏光ビームスプリッタが光路分離機能として作用する理由は、照明光の偏光と、ライトバルブで変調されて偏光が変わることにより、照明光と分離することができる。例えば、照明光がＰ偏光で、偏光ビームスプリッタを透過させてライトバルブへ照明しているとする。変調画像光は、白表示のとき、Ｓ偏光となって、反射され、偏光ビームスプリッタで反射し、投射レンズへの照明光と分離するこの光路分離素子を微小角度変位させることにより、投射画像の光路を偏向させ、隣接画素に重ならない位置に画素シフトを行い、その位置でのサブフレーム画像をライトバルブにより高速に変調させ、見かけ上、画素数を増やして表示させることができる。なお、図４には、説明のため、ライトバルブ、偏光ビームスプリッタ、投射レンズへの光路のみを記載し、シフト量は誇張して記載している。

また、ライトバルブに変調画像を表示させるための駆動制御手段や、サブフレーム画像表示に応じ、光路シフト機能を制御する手段は、図示はしていないが、高精細化表示のためには必要である。

更に、サブフレーム数、それに応じたシフト位置は、必ずしも２つに限ったことではなく、３つあるいは、４つのシフト位置として、３倍、あるいは４倍の高精細化も可能である。

また、シフト方向も、一方向のみだけでなく、多方向に行ってもよい。また、多段に行ってもよい。例えば、縦方向と横方向にそれぞれ２つのシフト位置となるような変位を与えることで，縦横それぞれ２倍、合計４倍の画素増大も可能となる。もちろん、一方向のみ本発明を適用し、多方向は、従来の画素シフト技術と組み合わせてもよい。

更に、必ずしも、画素倍増のための手段に本発明を用いるだけでなく、同一フレーム画像として、シフト表示させることで、特に動画表示には、スムージング効果が働き、より視認性の高い画像を得ることも期待できる。

図５は本発明の第２の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図において、図４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の画像表示装置における光路分離素子としてはキューブ型の偏光ビームスプリッタ３１を用いており、照明光を反射で、結像系を透過させている。本実施の形態例の画像表示装置でも、図５の（ａ）に示す状態と図５の（ｂ）に示す状態（実線）を交互に切り替えることによって、それぞれの画像投射位置で画像を高速に切り替えることができる。プリズムを透過させる場合は、光路中のどの位置に置かれても、そのプリズムの回転角と光路シフトの量は、変わらない。式（１）に示すように、プリズムの厚みの関数であり、よってパネルと光路分離素子の位置関係が変わる場合、例えば投射画面で焦点合わせを行う場合など、パネルとプリズムの相対位置関係を変化させることが必要になってくるが、その位置合わせにより、シフト量への影響がなく、安定したシフト量が得られる。

図６は本発明の第３の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図において、図４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の画像表示装置における光路分離素子としては平板型の偏光分離スプリッタ４１を用いている。図６に示したように、ライトバルブ２１からの変調画像光が平板型の偏光分離スプリッタ４１を通過する際に、光路がシフトされるが、この平板型の偏光分離スプリッタ４１が微小に変位、つまり微小角度回転することによって、式（１）の関係により、光路シフトを生じさせることができ、画素数増大させることができる。このような構成であって、変位させる部材が平板型であるので、質量が比較的に軽量となり、高速で変位させることに対して非常に有効である。具体的な平板型の偏光分離スプリッタとしては、誘電体多層膜をガラス基板上に形成したものや、ナノ構造周期で金属のパターンをガラス基板上に形成した金線格子型の偏光ビームスプリッタ、いわれるワイヤーグリッドタイプのＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）などが好適である。

図７は本発明の第４の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図において、図４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の画像表示装置における光路分離素子としては平板型の偏光分離スプリッタ４１を用いているとともに、結像光は偏光分離スプリッタ４１を通過させずに、偏光分離機能面で反射させている。このような構成であって、僅かな変位であっても、光路シフトが可能となり、光路分離素子の機能を低下させることなく、光路シフトを生じさせることができ、画素数増大させることができる

図８は本発明の画像表示装置の具体的な構成の一例を示す概略図である。同図において、図４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、光路分離素子としての偏光分離スプリッタ４１を保持する保持部材５１を設け、その保持部材５１を微小変位させることにより光路分離素子としての偏光分離スプリッタ４１を微小量変位させている。変位させる手段としては、圧電素子などのアクチュエータ５２などを保持部材５１の一端に取り付け、変位を起す方法としては、固定部材５３を保持部材５１の他端に取り付けてこの固定部材５３を支点としてアクチュエータ５２を往復運動させることにより保持部材５１によって保持されている偏光分離スプリッタ４１を微小角度で変位させる。なお、角度のみならず、図９に示すように、保持部材５１の全体をシフトさせてもよい。なお、アクチュエータ５２として、圧電素子以外として電磁コイルなどを用いることができる。なお、光路分離素子としての光学部品への影響を与えないために保持部材を介して偏光ビームスプリッタ等の光路分離素子の微小変位、微小角度を生じさせるならば、変位手段、保持部材の形状、支持位置や、変位手段による変位作用させる位置を限定するものではない。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の画像表示装置の原理を示す概略図である。偏光ビームスプリッタのプリズム厚及び屈折率から式（１）より求めた回転角度と光路シフト量を示す図である。偏光ビームスプリッタのプリズム厚及び屈折率から式（１）より求めた回転角度と光路シフト量を示す図である。本発明の第１の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。本発明の第２の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。本発明の第３の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。本発明の第４の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。本発明の画像表示装置の具体的な構成の一例を示す概略図である。本発明の画像表示装置の具体的な構成の別の一例を示す概略図である。

符号の説明

１１，３１；偏光ビームスプリッタ、２１；ライトバルブ、
２２；光路分離素子、２３，２４；全反射プリズム、
２５；エアギャップ、４１；偏光分離スプリッタ、
５１；保持部材、５２；アクチュエータ、５３；固定部材。

Claims

照明光源と、画像を表示する変調素子と、投射光学系と、前記変調素子への前記照明光源からの照明光と前記投射光学系へ向かう結像光を分離する光路分離素子とを含んで構成する画像表示装置において、
前記光路分離素子を変位させる変位手段を有することを特徴とする画像表示装置。
前記変位手段は、圧電素子や電磁コイルのアクチュエータで構成される請求項１記載の画像表示装置。
前記変位手段によって変位する前記光路分離素子の変位量は、投射媒体に投射される画像の画素が重ならないよう設定される請求項１記載の画像表示装置。
前記光路分離素子は、全反射プリズムで構成される請求項１又は３に記載の画像表示装置。
前記光路分離素子は、偏光分離スプリッタで構成される請求項１又は３に記載の画像表示装置。
前記光路分離素子は、照明光を反射し、かつ結像光を反射させないプリズム型の偏光分離スプリッタである請求項１又は３に記載の画像表示装置。
前記光路分離素子は、平板型の偏光分離スプリッタである請求項１又は３に記載の画像表示装置。
前記平板型の偏光分離スプリッタは、結像光を基板内で通過させずに、偏光分離機能面で反射させる請求項７記載の画像表示装置。