JP2008139389A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スクリーン上に投影される画像の解像度劣化を抑制し、十分に高い解像度を得るとともに、レジストレーションずれが少なく安定的な高品位画像を得ることができる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】 光源１から放射した白色光は、インテグレータ光学系及び偏光変換光学系２によってほぼＳ偏光に揃えられ、第１のフィールドレンズ４を経て、さらにＸダイクロイックミラー５、ミラー６を経た後、ワイヤグリッドＰＢＳ１１により反射され各反射型液晶素子１２を照明する。この照明光が変調された各画像光は、再びワイヤグリッドＰＢＳ１１に入射されてこれを透過し、シリンドリカルレンズ１５が接着固定されている色合成プリズムであるＸプリズム１３、投射レンズ１６を介してスクリーン１７に投射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射型の空間光変調素子を用いた投射型表示装置に関する。

従来、空間光変調素子として反射型液晶素子を用いたプロジェクタに適用される偏光素子には、マクニール型の偏光ビームスプリッタが用いられることが一般的であった。近年、これに代わるものとしてワイヤグリッド偏光板が開発され、プロジェクタの光学エンジンに搭載され始めており、このワイヤグリッド偏光素子または、これを用いた投射型表示装置の提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特表２００３-５０６７４６号公報 特開２００４−３０２２４３号公報

ところで、特許文献１に記載されているワイヤグリッド偏光板は、薄いガラス基板の片側表面に蒸着した金属膜を一方格子状にエッチングして形成したものである。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）として用いる場合、特許文献１図１ａのように４５度に傾斜して光路中に配置する。従来のマクニール型のＰＢＳの置き換えとした場合は、反射型液晶素子により変調された画像光をワイヤグリッド型ＰＢＳにて偏光分離する場合には、画像光が反射するようにした反射型として用いるのが一般的である。

しかしながら、特許文献２の図１のように３個の反射型液晶素子により変調された画像光をスクリーン上に合成してフルカラー投影する場合には、３色の画像を高精度にレジストレーション調整する必要があるが、ワイヤグリッド偏光板がガラス基板であるために、その面の変形や倒れなどによって、容易にレジストレーションがずれてしまうので、できるだけ厚く変形しないガラス基板を用い、これを安定的に固定するための複雑な固定方法となるので、コストアップにつながってしまうという問題があった。

一方、反射型液晶素子により変調された画像光を透過するようにワイヤグリッドＰＢＳを用いる場合には、マクニールタイプがガラスプリズムであったのに比べて、ガラス基板を空気中に４５度に配置するために、液晶素子から放射された画像を含んだ変調光がワイヤグリッド型ＰＢＳを透過するときに大きな非点収差が発生し、投射レンズによるスクリーン上の投影画像の解像度性能が大きく劣化するという問題があった。

この問題を解決するため、特許文献２の図８に示されるように、この非点収差を補正するシリンドリカルレンズを反射型液晶素子近傍に配置する提案がなされている。しかし、ワイヤグリッドＰＢＳを透過で用いる反射型液晶素子全てに個別にシリンドリカルレンズを複数個配置しており、コストアップにつながってしまうという問題があった。

さらに、反射型液晶素子の近傍に配置する光学部品においては、表面のキズやゴミなどの付着物が不要光となってスクリーンに欠陥として見えやすいので、高品位な光学部品を用いる必要があり、且つその追加部品を高品位に組み立てることが必要であり、この点においてもコストアップにつながってしまうという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、スクリーン上に投影される画像の解像度劣化を抑制して十分に高い解像度を得るとともに、レジストレーションずれが少なく安定的な高品位画像を得ることができる投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜２）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）複数の色光を生成する色光生成部と、
前記各色光を対応した反射型空間光変調素子にそれぞれ入射させると共に、前記各反射型空間光変調素子でそれぞれ光変調した各変調光を射出する偏光分離手段と、
前記偏光分離手段から射出された各変調光を合成して射出する色合成プリズムと、
前記色合成プリズムで合成された映像光をスクリーンに投射する投射光学系と、
前記色合成プリズムと前記投射光学系との間に非点収差補正用レンズと、
を備えた投射型表示装置であって、
前記偏光分離手段は、光透過性基板の片面上に、所定の間隔で金属線を形成してなるワイヤグリッド偏光板であり、
前記非点収差補正用レンズを前記色合成プリズムの射出面に該色合成プリズムと一体化させて固定したことを特徴とする投射型表示装置。
２）前記非点収差補正用レンズは、シリンドリカルレンズであることを特徴とする１）記載の投射型表示装置。

本発明の投射型表示装置によれば、偏光ビームスプリッタにワイヤグリッド偏光分離板を用いることにより高コントラストの特徴を保持しつつ、色合成プリズムの射出面に、ワイヤグリッド偏光分離板を透過する際に発生する非点収差を補正する非点収差補正用レンズを一体化して配置することにより、スクリーン上に投影される画像の解像度劣化を抑制し、十分に高い解像度を得ることができる。
また、非点収差補正用レンズと色合成プリズムを一体化することによって界面が増加することがないので、界面反射による不要光がなく、ＡＮＳＩコントラストを向上させることができ、ワイヤグリッド偏光分離板を画像光が透過するように用いることで、ワイヤグリッド面が多少変形した場合においてもレジストレーションずれに影響することがなく安定的な高品位画像を得ることができる。

さらに、ワイヤグリッド基板の面精度も画質劣化への影響が小さいので安価なガラス基板を適用することができ、その固定位置精度も比較的低くてよく、３枚のワイヤグリッド偏光分離板によって発生する非点収差を１枚の共通の非点収差補正用レンズで補正するので、コストダウンを図ることができる。

以下、本発明に係る投射型表示装置を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。
＜実施例１＞

図１に実施例１に適用される投射型表示装置の構成図を示す。複数の色光の不定偏光光を生成する色光生成部である光源１から放射した白色光は、インテグレータ光学系及び偏光変換光学系２によってほぼＳ偏光に揃えられ、第１のフィールドレンズ４を経て、Ｘ字状に配置したＸダイクロイックミラー５によって、まずＹ（イエロー）とＢ(青)に分解し、各々をミラー６で反射する。次に、Ｙ光はグリーンダイクロイックミラーによって、直進するＲ（赤）と、反射するＧ(緑)に分解する。Ｒ光は第２のフィールドレンズ９、プリポラライザ１０を経て、不要なＰ偏光をできるだけ除去されたＳ偏光としてワイヤグリッド偏光分離板であるワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１に入射する。ここでのワイヤグリッドＰＢＳ１１はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性を有している。

このＲの照明光はＳ偏光であるので、ワイヤグリッドＰＢＳ１１で反射して反射型液晶素子１２を照明する。反射型液晶素子１２に供給される画像情報に応じてこの照明光を変調してＲの画像光として反射する。Ｒ画像光は再びワイヤグリッドＰＢＳ１１のワイヤグリッド面に入射して、画像光のうちＰ偏光となった変調成分を透過し、それ以外の非変調成分を反射する。透過したＲ画像光は色合成プリズムであるＸプリズム１３のＲ入射面に入射する。Ｘプリズム１３内のダイクロイックミラー面はＳ偏光光入射の帯域が広く光利用率がいいので、入射面には１／２波長板フィルム１４が貼付されており、Ｘプリズム１３への入射光はＳ偏光となる。この画像光はワイヤグリッドＰＢＳ１１の基板を透過する際に、非点収差を大きく発生した状態となっている。

Ｇ、ＢについてもワイヤグリッドＰＢＳ１１の作用は同様であり、Ｇ画像光、Ｂ画像光、Ｒ画像光がＳ偏光としてＸプリズム１３にて合成される。合成されたＲＧＢ画像光は、Ｘプリズム１３の射出面から射出する。

ここで、この射出面には先のワイヤグリッドＰＢＳ１１にて発生した非点収差を補正するシリンドリカルレンズ１５が接着固定されているので、このシリンドリカルレンズ１５によって、非点収差が良好に補正される。その後、非点収差補正用レンズであるシリンドリカルレンズ１５からの射出光は、投射レンズ１６を介してスクリーン１７に投射される。

ところで、従来のワイヤグリッドＰＢＳに用いられるガラス基板は、画像光を反射するためにはその面精度を高精度に保つ必要があり、１．６ｍｍ程度と比較的厚いガラス基板であった。また熱による変形を抑制するために耐熱性ガラスが用いられ、比較的高価であった。反射光側は、ガラス基板が少しでも変形すると透過光側の２倍以上の影響を受け、直接ディストーションやフォーカスぼけの原因となり、レジストレーションずれとなる。

実施例１では画像光を透過するので、非点収差は発生するものの、ガラス基板の反りなどの変形によるディストーションやフォーカスボケ、レジストレーションずれなどへの影響は非常に小さい。従って、ガラス基板には大量生産される安価な薄い０．７ｍｍ程度のガラス基板を適用することができる。

図２〜図５を用いて、シリンドリカルレンズ補正の有無による非点収差の補正、解像度特性について説明する。
図２は、シリンドリカルレンズ補正のない従来のワイヤグリッドＰＢＳを透過で使う場合の非点収差の補正、解像度特性について模式的に示した図である。ワイヤグリッド基板には厚さ０．７ミリ屈折率１．５２の白板ガラスを用いている。投射レンズ１６は図１では説明のため１枚のみで図示しているが、実際には１２枚を用いている。ワイヤグリッドＰＢＳ１１が４５度に配置されており、反射型液晶素子１２上の画像光が投射レンズ１６に取り込まれる様子を示している。

図３にそのときの解像度特性を示す。横軸に空間周波数、縦軸はＭＴＦ伝達関数である。液晶素子の対角０．７インチに横１９２０画素、縦１０８０画素のフルＨＤ（High Definition television）画像を高密度に形成した素子を用いる場合に、必要な解像度は空間周波数が６０ｌｐ／ｍｍでＭＴＦ５０％以上とされている。６０ｌｐ／ｍｍは全く解像できておらず、高解像度のディスプレーには全く適用できないことがわかる。

この空間周波数ｌｐ／ｍｍ（ラインペア／ミリメートル）の数字は、１ｍｍの幅に何本のラインペアが並ぶかを表しているもので、数字が大きくなる程ライン幅が細くなり、解像度が高いことを示している。より定量的な測定方法として、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を利用している。これはイメージガイドを周波数フィルターと見なして、スペクトル分布（物体のコントラストを像に伝達する能力）がどのように変化するかを空間周波数領域で評価する方法で、一般的に上述のように、ＭＴＦが０．５の時の空間周波数［ｌｐ／ｍｍ］をイメージガイドの解像力として定義している。

図４にシリンドリカルレンズを設計し図１の光学系に適用する場合の具体例について述べる。ワイヤグリッド基板には厚さ０．７ミリ屈折率１．５２の白板ガラスを用いる。シリンドリカルレンズ１５はこのワイヤグリッド基板を４５度で透過する際に発生する非点収差を補正するようにその面形状を設計する。具体的にはＸプリズム１３側が平面、投射レンズ１６側がシリンドリカル面で、その曲率半径は５７００ミリメートル、厚さは１.０ミリメートル、ガラス材には安価なＢＫ７を用いる。さらに安価な白板ガラスでもよい。

図５にシリンドリカルレンズをＸプリズムの射出面に接着して固定した場合の、解像度をシミュレーションにより求めた解像度特性図を示す。６０ｌｐ／ｍｍで７０％以上を有し、十分に非点収差が補正されている様子が示されている。フルＨＤの高解像度にも対応している。

シリンドリカルレンズについては、図１の紙面上にシリンドリカル形状を有し、紙面法線方向には平面である。また、説明のため図１ではそのレンズ形状を誇張して描いている。シリンドリカルレンズ側にマルチＡＲコートを施し、平面側をＸプリズムの射出面に接着剤で固定する。接着によりプリズム射出面とシリンドリカルレンズ平面側のＡＲコート２面を削除できる。それぞれの光学部材の屈折率を合わせることができるので、レンズを追加したにもかかわらず空気界面が増加することなく、界面反射する不要光も増加することがなく、接着をしない場合に比べて、ＡＮＳＩコントラストを向上させることができる。

Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれのチャンネルで個別に配置することも可能であるが、部品点数が増えるとともに、液晶素子近傍に配置する場合には、シリンドリカルレンズ表面の傷やゴミなどの付着物がスクリーンに投影され欠陥として目立ちやすいので、非常に高品位な管理が必要となり組立コストもアップする。

そこで実施例１では３色同時に補正するためにシリンドリカルレンズをＸプリズムの射出面に配置するので、部品も１個であり、反射型液晶素子から十分に離れた場所であるために、表面の小さいキズやゴミは投影画像にはほとんど影響しないため、安価に製造することができる。
＜実施例２＞

図６、図７に実施例２に適用される投射型表示装置の構成図を示す。図６が上面図、図７が側面図である。実施例２は色分解と色合成が同一面になく、２階建て構造である。基本的には実施例１と同じであるが、ワイヤグリッド面とＸプリズムダイクロイックミラー面とがねじれの関係にあるので、ワイヤグリッドＰＢＳ１１をＰ偏光で透過した光はＸプリズム１３のダイクロイックミラーにとってはＳ偏光となり、各入射面に実施例１で用いた１／２波長板フィルムは不要である。この点が実施例１に比べてコストダウンとなる。また、シリンドリカルレンズ１５は、２階建ての場合は図４紙面の垂直方向にシリンドリカル曲面を有し、紙面内では平面である。また、上下を逆さに構成してもよい。

なお、各実施例では、複数の色光を生成する色光生成部として、１個のランプから放射する白色光を、色分解光学系で３原色光に色分解し、３色の色光を生成している。この３色光を各色光に対応するワイヤグリッドＰＢＳに入射し、さらに対応する反射型液晶素子に入射するようにしている。ここで色光生成部の光源として、単色光源であるＬＥＤ光源やレーザー光源を用いて、白色光源と色分解光学系の組合せと置き換えることができ、色分解光学系は不要となる。直接各単色光源にて生成した各色光をそれぞれ対応するワイヤグリッドＰＢＳに入射し、さらに対応する反射型液晶素子に入射するようにする。この場合においても合成光学系は図１または図６に示した構成と同様でよい。このように単色光源を採用することによって従来よりも広い色再現範囲を表示することが可能となる。

実施例１に適用される投射型表示装置の構成図を示した図である。 シリンドリカルレンズ補正のないワイヤグリッドＰＢＳを透過で使う場合の構成について模式的に示した図である。 図２における非点収差の補正、解像度特性について模式的に示した図である。 シリンドリカルレンズ補正のあるワイヤグリッドＰＢＳを透過で使う場合の構成について模式的に示した図である。 図４における非点収差の補正、解像度特性について模式的に示した図である。 実施例２に適用される投射型表示装置の構成図（上面図）を示した図である。 実施例２に適用される投射型表示装置の構成図（図側面図）を示した図である。

符号の説明

１ 光源
２ インテグレータおよび偏光変換光学素子
４ 第１のフィールドレンズ
５ Ｘダイクロイックミラー
６ ミラー
８ グリーンダイクロイックミラー
９ 第２のフィールドレンズ
１０ プリポラライザ
１１ ワイヤグリッドＰＢＳ
１２ 反射型液晶素子
１３ Ｘプリズム
１４ １／２波長板フィルム
１５ シリンドリカルレンズ
１６ 投射レンズ
１７ スクリーン

Claims (2)

1. 複数の色光を生成する色光生成部と、
   前記各色光を対応した反射型空間光変調素子にそれぞれ入射させると共に、前記各反射型空間光変調素子でそれぞれ光変調した各変調光を射出する偏光分離手段と、
   前記偏光分離手段から射出された各変調光を合成して射出する色合成プリズムと、
   前記色合成プリズムで合成された映像光をスクリーンに投射する投射光学系と、
   前記色合成プリズムと前記投射光学系との間に非点収差補正用レンズと、
   を備えた投射型表示装置であって、
   前記偏光分離手段は、光透過性基板の片面上に、所定の間隔で金属線を形成してなるワイヤグリッド偏光板であり、
   前記非点収差補正用レンズを前記色合成プリズムの射出面に該色合成プリズムと一体化させて固定したことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記非点収差補正用レンズは、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。

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