JP2008158364A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
白色バーを改善し、周辺光量比を改善した投射型映像表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明の投射型映像表示装置は、白色光源が出射した白色光を入射し、第一の方向で２つ領域に並べて出射する出射面を有する光束分離ユニットと、２つの白色光を各々を映像表示素子上の第一の方向で走査させる走査手段と、白色光を複数の色光に分離する色分離手段とを有し、前記２つの領域の白色光について第一の方向に対し出射面の中心を挟んで両側から出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の光学ユニット、投射型映像表示装置に係わり、映像表示素子の画像形成領域上で照明光束を走査する技術に関する。

映像表示素子として用いられているＤＭＤ（digital micromirror device）やＬＣＤ（liquid crystal display）は、ＣＲＴ（cathode-ray tube）に比べて、動画像を表示した際に、フィールド・シーケンシャルを用いカラー化したＤＭＤ・ＡＭ−ＬＣＤ（アクティブマトリクス型ＬＣＤパネル）には色ずれが存在し、３板式ＤＭＤやカラーフィルタを用いた直視型および投射型ＬＣＤには動きぼけが存在することが指摘されている。

これはＣＲＴの発光が点順次発光素子であり、ある瞬間を取ったとき、画面の一部にしか画像が表示されていないインパルス型表示装置であるのに対し、ＤＭＤやＬＣＤが、常に画面全体が表示されているホールド型表示装置であることに起因する。

このホールド型の映像表示素子での動画表示特性を改善する技術が、例えば、特許文献１から特許文献４で知られている。

特許文献１は、複数の光源を映像表示素子の応答に応じて点灯と消灯を時間差で行い映像表示素子に照射する光を走査（または、「スクロール」という）する構成である。

特許文献２は、光源の放射方向を規定するスリットを有する集光筒を回転することで走査光を映像表示素子に照射し、その光の走査に同期し映像表示素子の各画素を制御する技術である。

特許文献３は、等速度回転では照明光が不均一になるので、逆に、回転を非等速度回転として照明光を均一化する技術である。

特許文献４は、等速度回転での照明光の不均一を、逆の特性を有する光学フィルターを映像表示素子に近傍に配置することで逆補正する技術である。

特開２０００−２７５６０４号公報 特開２００２−６７６６号公報 特開２００４−３２５５７７号公報 特開２００６−２２７４６７号公報

投射型映像表示装置の光源として一般的に使われる放電ランプでは、瞬時に点灯や消灯することが困難であるため、特許文献１の技術は適用できない。

集光筒を等速度で回転させる特許文献２の技術では、光走査が等速度にならないので、映像表示素子に対して均等に光が照明されない、即ち、照度むらや画像の表示むらが生じる。

逆に、回転を非等速度回転として照明光を均一化する特許文献３の技術では、回転プリズムを精度良く変化させる高精度モータが必要となり製造コストが高くなり、また、モータの回転速度を頻繁に加速及び減速するために消費電力が高くなるという問題点があった。

上記の問題を解決する手段ではあるが、等速度回転での照明光の不均一と逆の特性を有する光学フィルターを映像表示素子の近傍に配置することで逆補正する特許文献４の技術は、光量比が大きい箇所の光量を、光透過率を低くした光学フィルターによって減衰させる方式であり、全体の光量が小さくなるという問題点があった。

本発明は、製造コストや消費電力を高くすることなく、また、光量を小さくすることなく、映像表示素子へ照射される照明光の均一化を達成した投射型映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の投射型映像表示装置は、白色光源が出射した白色光を入射し、第一の方向で２つ領域に並べて出射する出射面を有する光束分離ユニットと、２つの白色光を各々を映像表示素子上の第一の方向で走査させる走査手段と、白色光を複数の色光に分離する色分離手段とを有し、前記２つの領域の白色光について第一の方向に対し出射面の中心を挟んで両側から出射する。

もしくは、本発明の投射型映像表示素子は、白色光源が出射する白色光を空間的に分離し２つの白色光として出射する光束分離ユニットと、２つの白色光を写像する写像光学系と、写像光学系により写像され２つの白色光を走査する走査手段と、白色光を複数の色光に分離する色分離手段と、複数の映像表示素子と、映像表示素子が形成した光学像をカラー映像として投射する投射装置を有し、前記光束分離ユニットは、出射する２つの白色光について、写像光学系の光学軸を挟んだ両側から出射する。

投射型映像表示装置において周辺光量比を改善することが可能である。

以下、図面を用いて本発明の形態について説明する。まず、図１から図２０を用いて、本発明の一形態について説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度述べたものについては、その重複する説明を省略する。

図１は、第一の実施の形態である走査式投射型映像表示装置の構成図である。以下の説明では、説明を容易にするために、各部において、光学軸方向をＺ軸方向とし、光学軸に直交する平面をＸＹ平面とし、図１紙面に垂直な方向をＹ軸方向（例えば紙面裏から紙面表に向かう方向）と定めるものとする。また、光学軸そのものは、Ｚ軸と一致させる（（ｘ,ｙ,ｚ）＝（０,０,±Ｚ））。このように、便宜上光学系の光路が直線的に表示されているものとして説明する。

図１の走査式投射型映像表示装置は、光源ユニット１、光束分離ユニット２０、回転多面体４０、映像表示素子６、投射レンズ７、その他各種レンズ、ＰＢＳ、偏光板、ミラー等を有する。

光源ユニット１は、白色光を出射し、ハロゲン化ランプ等の光源１１とリフレクタ１２（この図では楕円リフレクタを採用）を有する。リフレクタ１２が楕円の場合、光源１１は楕円の第１焦点位置近傍に配置される。リフレクタ１２は、光源１１から出射される略白色の光束を、第２焦点位置近傍に配置されているライトパイプ２１の入射面に集光し、入射する。インテグレータ素子であるライトパイプ２１は、入射した光束の光量分布を一様化して出射し、後続する光束分離ユニット２０に入射する。光束分離ユニット２０は、白色光を第一の方向で２つ領域に並べて出射する出射面を有する。

図１の光束分離ユニット２０は、第１ＰＢＳ２０１・第２ＰＢＳ２０２、１／２波長板２０３、出射遮光板２０４、スペーサ２０５を有する。光束分離ユニット２０では、リフレクタ１２が集光した光源ユニット１からの光束の偏光方向を所定偏光方向に揃える。光束分離ユニット２０は、ライトパイプ２１からの光をＹ軸方向（図１紙面に垂直な方向）に配列された短冊形状（帯状）に分離する作用を持っている。なお、光束分離ユニット２０の詳細については、図２を用いて後述する。

光束分離ユニット２０で出射領域が２つに分離された白色光（偏光状態はＳ偏光）は、縮小光学系３１、光路折り曲げミラー９０を介して、第１ＰＢＳ５１に入射する。第１ＰＢＳ５１に入射したＳ偏光の光束（２つの白色光バー）は、偏光分離面で反射し、回転多面体４０に向かう。第１ＰＢＳ５１が出射したＳ偏光の光束は、１／４波長板８０を通過することで、円偏光に変換され、縮小光学系３２を介して回転多面体４０に入射する。その過程で、光束分離ユニット２０の出射面に形成された２つの白色光バーは、回転多面体４０の手前の空間に縮小光学系３１、３２によって写像され、空間像（図示せず）が形成される。

空間像は、回転中心軸を光学軸（Ｚ軸）方向に直交するＸ軸方向に持つ回転多面体４０の表面の反射面４１で反射し、光路を折り返す。１／４波長板８０を再び通過することで、円偏光はＰ偏光に変換され、第１ＰＢＳ５１を透過する。第１ＰＢＳ５１を透過した光束は、第１ダイクロイックミラー９１で反射する第１色光（本実施例では青色）と、透過する第２色光・第３色光（本実施例では緑色と赤色）に分離される。

そして、ダイクロイックミラー９１で反射した青色光のＰ偏光は、第２ＰＢＳ５２の偏光分離面を透過し、第１映像表示素子６Ｂ（本実施例では青色用の映像表示素子）に入射する。この過程により、回転多面体４０の手前の空間に形成された空間像から、回転多面体４０の反射面４１で鏡面像（図示せず）が形成され、さらにこの鏡面像が拡大光学系３３（ここでは光線方向が逆となるので拡大光学系として機能する）で拡大されて第１映像表示素子６Ｂ上に写像される。

第１映像表示素子６Ｂの各画素で反射する光線は、各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＳ偏光に変換されるので、今度は、第２ＰＢＳ５２の偏光分離面で反射し第４ＰＢＳ５４に入射する。第４ＰＢＳ５４に入射した青色光のＳ偏光は、同様に、第４ＰＢＳ５４の偏光分離面で反射し、投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、偏光状態がＰ偏光のままなので、再び、第２ＰＢＳ５２の偏光分離面を透過し、光束はスクリーン等に拡大投射されない。

ダイクロイックミラー９１を透過した残りに色光（緑色と赤色）のうち、第２色光（本実施例では緑色）の偏光方向のみを変換する第１波長選択性位相差板８１により、緑色光のＰ偏光がＳ偏光に変換される。Ｓ偏光の緑光は、第３ＰＢＳ５３の偏光分離面で反射し第２映像表示素子６Ｇ（本実施例では緑色）に入射する。

第２映像表示素子６Ｇの各画素で反射する光線は、各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＰ偏光に変換されるので、今度は、第３ＰＢＳ５３の偏光分離面を透過し第２波長選択性位相差板８２に入射する。第２波長選択性位相差板８２は第３色光（本実施例では赤色光）の偏光方向のみを変換するので、緑色光はＰ偏光のままで、第４ＰＢＳ５４に入射する。第４ＰＢＳ５４に入射した緑色光のＰ偏光は、第４ＰＢＳ５４の偏光分離面を透過し、投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、偏光状態がＳ偏光のままなので、再び、第３ＰＢＳ５３の偏光分離面で反射し、光束はスクリーン等に拡大投射されない。

そして、第３色光（本実施例では赤色）は第１光波長選択性位相差板８１を通過してもＰ偏光のままなので、第３ＰＢＳ５３の偏光分離面を透過し第３映像表示素子６Ｒ（本実施例では赤色）に入射する。

第３映像表示素子６Ｒの各画素で反射する光線は、各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＳ偏光に変換されるので、今度は、第３ＰＢＳ５３の偏光分離面で反射し第２波長選択性位相差板８２に入射する。第２波長選択性位相差板８２は赤色光の偏光方向を変換するので、赤色光はＳ偏光からＰ偏光に変換され、第４ＰＢＳ５４に入射する。第４ＰＢＳ５４に入射した赤色光のＰ偏光は、第４ＰＢＳ５４の偏光分離面を透過し、投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、偏光状態がＰ偏光のままなので、再び、第３ＰＢＳ５３の偏光分離面を透過し、光束はスクリーン等に拡大投射されない。

以上の各色光についての説明は、色光および偏光状態で差異があるが、走査作用に関しては同一なので、次に、光束分離ユニットの光束分離作用と、光束分離後の周辺光量比について、図１１乃至図１７を用いて説明する。

図１１を用いて、従来の発光領域について説明する。

図１１（１）は、特許文献４から光源ユニット１から走査手段としての回転プリズム４２までを抜き出した構成図である。図１１（２）・（３）は、映像表示素子６の有効画像素範囲の大きさと、遮光部材２０９の大きさの関係を表した図である。走査する方向（図１１でＹ軸方向）には、映像表示素子６に対して圧縮した光束出射サイズ（発光領域：白色バー）となっている。なお、遮光部材２０９と映像表示素子６とが写像関係にあるので、倍率を換算した相対的な大きさの関係図である。

次に、上記した一つの白色バー（物体）の空間像と、図１における回転多面体４０の反射面４１による鏡面像と、映像表示素子６上の写像との関係について、図１２を参照して説明する。図１２は、回転多面体４０の反射面４１の近傍に写像した空間像と、走査空間像（鏡面像）の関係を模式的に示した図である。なお、回転多面体４０の走査作用については、同図を用いて後述する。

図１２において、白色バーの像（縮小像、図示せず）は、第１の光学系としての縮小光学系３１、３２、光路折り曲げミラー９０、さらに第１ＰＢＳ５１を経由して、回転多面体４０の手前の空間に空間像２８０として形成される。回転多面体４０の反射面４１により空間像２８０の鏡面像２９０が反射面４１の裏側に形成されるが、回転多面体４０が回転することで反射面４１も回転し入射角度が変化するので、鏡面像２９０は移動（走査）して走査空間像となる。さらに、第２の光学系としての拡大光学系３２（縮小光学系の一部を兼用）と第２ＰＢＳ５２により、走査空間像の拡大像が第１映像表示素子６Ｂ上に形成される。最後に、第１映像表示素子６Ｂで変調作用を受けたカラー映像は投射装置としての投射レンズ７により、スクリーン等の投射面に拡大投射される。

上記説明では、第１の光学系として縮小光学系を、第２の光学系として拡大光学系を用いた例について説明したが、第１の光学系を拡大光学系とし、第２の光学系を縮小光学系とする組合せでも写像関係上は問題ない。ただし、縮小光学系と拡大光学系の組合せとすることで、回転多面体４０の反射面４１の近傍にできる空間像を小さくできるので、その結果、回転多面体４０を小さくすることが可能である。

次に、走査作用について説明する。

引き続き、図１２において、光学軸上の光線に対する走査量の説明である。反射面４１を光学軸１００に対して垂直に配置した場合は、物体と鏡面像の関係だけに着目すれば良い。図１２において、反射面４１の手前に形成された空間像は、空間像から反射面４１までの距離Ａと同じ距離で、反射面４１の裏側に鏡面像が形成される。反射面の法線が光学軸１００に対してなす角度がθの場合、光学軸上の光線は光学軸に対して角度２θで反射する。このとき反射光線は、図１２の点線で示した鏡面像の箇所から出射した光線と等価となる。従って、この反射面４１の角度を連続して変えることで、鏡面像からの出射位置を連続して変えることが可能となる。これが、走査作用の原理である。先に説明したθとＡを用いて、走査空間像（鏡面像）での位置Ｙは、数１で定まる。
（数１）
Ｙ＝Ａ・ｔａｎ２θ
次に、図１３を用いて光学軸上の光線Ｌ４０１と光学軸外の光線Ｌ４０２での走査作用について説明する。なお、ここでは、回転多面体４が回転１２面体であるものとする。

図１３において、光学軸１００上に回転１２面体の相隣接する面の稜線が位置する場合の回転１２面体４０１を点線で示す。また、反射面４１が光学軸１００に垂直となる位置、すなわち反射面４１の法線が光学軸１００となす角度が０度の場合の回転１２面体４０２を実線で示す。

光学軸１００上の光線Ｌ４０１に対して反射面４１の法線がなす角度が最大となるのは、光線Ｌ４０１が回転１２面体４０１の相隣接する面の稜線近傍に入射する場合、すなわち点線で示した回転１２面体４０１の反射面４１に反射する場合である。実線で示した反射面４１の位置を基準（回転角度０度）とすると、点線で示した回転１２面体４０１の反射面４１の法線と光学軸がなす角度、または回転１２面体４０１の回転角度は±１５度＝{（３６０÷１２）／２}となり、従って、最大反射角度は２倍で±３０度（走査範囲：−３０度〜３０度）となる。

ところで、図１３に示す光学軸外の光線Ｌ４０２は、光線はＹ軸方向に関して高さＨで回転１２面体に入射するので、光線Ｌ４０１と同じ±３０度の最大反射角度では、光線Ｌ４０１と同じ範囲を走査できない。仮に、光学軸外の光線Ｌ４０２に対しては、図１３に示すように、回転１２面体４０２の光学軸上に位置する反射面の隣接した反射面（反射ミラー）側で光線が反射するものとすると、回転角度が３０度（隣接した反射ミラーなので）となる。最大反射角度は２倍で６０度となり、また、回転１２面体４０２の光学軸上にある反射面側で反射した場合には回転角度が０度なので、反射角度は０度となる。従って走査範囲が０度〜６０度となり、光線Ｌ４０１と同じ範囲の走査が可能となる。

次に、図１４から図２０を用いて、出願人が新たに気付いた上記走査方式での課題について説明する。

図１４と図１５は、光学軸外の光線での走査位置と反射角度の関係を模式的に示した図である。図１４では入射光線Ｌ４０３と同じ側（光学軸１００に対して）の走査空間像部２９０１を走査しており、図示の如く反射面の回転角度及び反射角度が小さくなる。一方で、図１５では入射光線Ｌ４０３と反対側（光学軸１００に対して）の走査空間像部２９０２を走査しており、図示の如く反射面の回転角度及び反射角度が大きくなる。即ち、Ｙ軸方向に関して光学軸からはずれる光線の走査においては、走査範囲の一方での反射角度が小さく、逆の走査箇所では反射角度が大きいという非対称な関係にある。このように、Ｙ軸方向に関して光学軸からはずれる光線において反射角度が非対称となってしまうのは、映像表示素子６における垂直走査方向をＹ軸方向としているからである。

図１６に、空間像を３分割した各中心位置（Ｙ軸方向の座標：１．２８５ｍｍ、０ｍｍ、−１．２８５ｍｍ）から出射した光線が、回転多面体４０の回転角度に対して走査空間像（鏡面像）形成する範囲を示す。なお、図１６で、縦軸は走査範囲（単位：％）を示しており、±５０％の範囲が、元の空間像の大きさに相当する。つまり、走査範囲は元の空間像の大きさで規格化されている。この規格化されたＹ座標を以下小文字のｙで表すものとする。また、横軸は反射面の回転角度（単位：度）を示し、反射面が光学軸に対して垂直である場合に反射面の回転角度を０度としている。

図１６において、０ｍｍの光線（光学軸上の光線）に対しては、回転角度に対する走査範囲が対称になっているが、それ以外の光線（±１．２８５ｍｍ）の光線に対しては、走査範囲に対して回転角度が、それぞれ片寄った値になっている。すなわち、＋Ｙ軸領域の光線においては−の回転角度よりとなり、−Ｙ軸領域の光線においては、＋の回転角度よりとなっている。

上記の「走査作用の説明」において記述したように、走査範囲は数式１で求めることができる。ところで、回転多面体４０は通常、一定の角速度で回転するので、Ｙをθで微分することで光量比を求めることができる。即ち、同じΔθに対して、ΔＹが大きい場合は、速い速度で走査されるので、単位時間あたりの光量が小さく、逆に、ΔＹが小さい場合は、単位時間あたりの光量が大きくなる。

数式２は、数式１のＹをθで微分すると得られる。上述したように逆数を取ることで光量となるが、θ＝０のときの値で割って規格化すると数式３となる。
（数２）
ΔＹ／Δθ＝２Ａ／ｃｏｓ^２２θ
（数３）
光束量比＝ｃｏｓ^２２θ
図１７（１）は数式３をプロットした図であり、横軸は規格化された走査空間像位置座標ｙ、縦軸は光量比である。また、図１７（２）は実際に照明計算をした結果で、縦軸は映像表示素子上での相対光強度、横軸は映像表示素子上でのＹ軸座標である。図１７から明らかなように、回転角度が大きいと、所定の走査範囲を走査していても周辺光量比が減少してしまう。

図１８は、走査方向に対して内側の２／３を発光領域とした場合での映像表示素子６上での光量分布を表した図である。図１８（１）は映像表示素子６上での発光領域の位置を示す図である。６分割した領域の４つの領域を発光領域とした。符号６−ｉは映像表示素子６上での６分割された発光領域の第ｉの領域を示す。但し、ｉは１乃至６のいずれかの整数である。
図１８（２）は、映像表示素子６上での光量分布を等高線表示した図である。図１８（３）は映像表示素子６上での光量分布を映像表示素子６のＸ軸（Ｙ＝０ｍ）と映像表示素子６の上下端（Ｙ＝±５ｍｍ）を含む平面で切断した断面図である。図１８（４）は映像表示素子６上での光量分布を映像表示素子６のＹ軸（Ｘ＝０ｍｍ）と映像表示素子６の左右端（Ｘ＝±８．９ｍｍ）を含む平面で切断した断面図である。この結果、映像表示素子６の周辺光量比が低いことがわかる。

そこで回転角度による周辺光量比の改善の手がかりを得るために、図１１の遮光部材２０９で通過する領域を６分割し、それぞれについて周辺光量比の計算を行った。具体的には、映像表示素子６を走査方向に６分割し、それぞれの各一ヶ所のみを光束が通過する、即ち、発光領域（白色バー）として図１８と同様の周辺光量比の計算を実施した。

分割した発光領域（白色バー）の各々の領域における照明結果を図３乃至図８に示す。これらの結果から、それぞれの発光領域（白色バー）が映像表示素子６上にどのような光量分布を形成するかがわかる。

図３は、第１領域による映像表示素子６上での光量分布を表した図である。図３（１）は映像表示素子６上での発光領域の位置を示す図である。図３（２）は、映像表示素子６上での光量分布を等高線表示した図である。図３（３）は映像表示素子６上での光量分布を映像表示素子６のＸ軸（Ｙ＝０ｍ）と映像表示素子６の上下端（Ｙ＝±５ｍｍ）を含む平面で切断した断面図である。図３（４）は映像表示素子６上での光量分布を映像表示素子６のＹ軸（Ｘ＝０ｍｍ）と映像表示素子６の左右端（Ｘ＝±８．９ｍｍ）を含む平面で切断した断面図である。なお、以下図４乃至図８等においても、（２）〜（４）は各々（１）図に示す位置の発光領域での計算結果およびそれらの断面図を示したものである。この照明結果から第１の領域から第６の領域の出射光が、映像表示素子６上にどのような光量分布を形成するかがわかる。図３乃至図８において、符号６−ｉは映像表示素子６上での６分割された発光領域の第ｉの領域を示す。但し、ｉは１乃至６のいずれかの整数である。

図３乃至図８においても、Ｙ＋側に配置した第１領域から第３領域では周辺光量比はＹ＋側が大きく、逆に、Ｙ−側に配置した第４領域から第６領域では周辺光量比はＹ−側が大きくなる。特に、Ｙ＋の端の領域にあたる第１領域と、Ｙ−の端の領域に当たる第６領域においてその傾向は顕著である。

各々の領域での特徴を踏まえ、分割した発光領域（白色バー）の配置を行ったものが、図２の光束分離ユニット２０である。図２は、本実施の形態による光束分離ユニット２０のＹＺ断面図である。

図２で、ライトパイプ２１で光量分布が一様化されて光束は、光束分離ユニット２０に入射する。光束分離ユニット２０に入射した光束は、第１ＰＢＳ２０１でＰ偏光とＳ偏光に分離する。第１ＰＢＳ２０１の偏光分離面で反射したＳ偏光は、スペーサ２０５を透過し、第２ＰＢＳ２０２に入射する。第２ＰＢＳ２０２に入射したＳ偏光は、第２ＰＢＳ２０２の偏光分離面で反射し、１／２波長板２０３を通過することで、Ｐ偏光に変換される。即ち、ライトパイプ２１で光量分布を一様化した白色光は、空間的に分離した２箇所からＰ偏光として出射する。ところで、Ｐ偏光とＳ偏光の定義は、光線が透過、或いは反射する入射面の法線ベクトルで定義されているので、図２のＹＺ平面におけるＰ偏光は、図１のＸＺ平面におけるＳ偏光に相当する。

なお、出射遮光板２０４は、ライトパイプ２１を出射した光束が第１ＰＢＳ２０１の偏光分離を透過若しくは反射せずに直接に出射するのを防ぐためのものである。そして、第２ＰＢＳ２０２は、第１ＰＢＳ２０１の偏光分離面で漏れ光として反射したＰ偏光を透過させるために配置しているが、光路折り曲げミラーで構成してもよい。

ところで、図２の光束分離ユニット２０は、３分割領域の第１番目と第３番目に発光領域（白色バー）を配置する構成であり、即ち、光軸１００を中心に光軸１００上を除いたＹ＋側とＹ−側のそれぞれ両端に発光領域（白色バー）を配置した構成である。この構成を図１８で説明した６分割領域と比較すると、６分割領域の第１番目と第２番目と第５番目と第６番目に、発光領域（白色バー）を配置する構成に相当する。

次に、図２の光束分離ユニット２０を用いた投射型映像表示装置での映像表示素子６での光量分布について図９と図２０を用いて説明する。図９（２）の光量分布の等高線表示では頂上付近の分布が拡がっている。また、図９（３）と図９（４）の光量分布の断面図表示でも、周辺部分の光量比を改善している。図９と図１８の比較のために、図２０に、Ｘ＋とＸ−の断面での光量分布を合わせて表示したが、図１８に比べて、図９で周辺光量比を改善していることがわかる。

次に、映像表示素子６を駆動する制御回路について比較する。図１０が本発明の制御回路の説明図、図１９が従来例の制御回路の説明図である。なお、色光は赤色映像表示素子と緑色映像表示素子と青色映像表示素子での、ＯＮ／ＯＦＦの組合せで制御できるので、映像表示素子６を駆動する制御回路の説明上では、白色（ＯＮ）と黒色（ＯＦＦ）として説明する。

図１０（１）では、発光領域（白色バー）が２箇所あり、１周期あたり２回の走査が必要であるように思える。従って、映像表示素子６を駆動する制御回路では、白色（ＯＮ）と黒色（ＯＦＦ）と白色（ＯＮ）の３回の制御をする必要があるように思えるが、最初の白色（ＯＮ）と最後の白色（ＯＮ）は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子６を駆動する制御回路では、２回の制御を行えば良い。図１０（２）は、映像表示素子６を６分割した領域ごとに、スクロールの１／６周期ごとのＯＮとＯＦＦの状態を表した図であり、ＯＮ／ＯＦＦをまとめたものが表１である。即ち、発光領域（白色バー）は２つあっても映像表示素子６を駆動する制御回路では、白色（ＯＮ）と黒色（ＯＦＦ）をそれぞれ一度切り換えれれば良いことがわかる。

（表１）

図１９（１）では、発光領域（白色バー）が１箇所であり１周期あたり１回のスクロールが必要である。従って、映像表示素子６を駆動する制御回路では、白色（ＯＮ）と黒色（ＯＦＦ）の２回の制御を行えばよい。図１９（２）は、映像表示素子６を６分割した領域ごとに、スクロールの１／６周期ごとのＯＮとＯＦＦの状態を表した図であり、ＯＮ／ＯＦＦをまとめたものが表２である。

（表２）

表１と表２より、本発明を適用した場合においても、映像表示素子６を駆動する制御回路では、従来同等の制御を行えばよいことがわかる。

次に、第２の実施の形態について、図２１と図２２を用いて説明する。

図２１は、第２の実施の形態である投射型映像表示装置の構成図である。図２１において、光源ユニット１は、白色光を出射し、ハロゲン化ランプ等の光源１１とリフレクタ１３（この図では放物面リフレクタを採用）を有する。リフレクタ１３が放物面の場合、光源１１は放物面の焦点位置近傍に配置される。リフレクタ１３は、光源１１から出射される略白色の光束を、光軸に平行に反射し、インテグレータであるマルチレンズアレイ２２に入射する。マルチレンズアレイ２２によって、アレイ状の２次光源像が形成され、重畳レンズ２３によって、後続する光束分離ユニット２０の入射面に一様化した光量分布が形成される。光束分離ユニット２０は、白色光を第一の方向で２つ領域に並べて出射する出射面を有する。なお、光束分離ユニット２０の詳細については、図２２を用いて後述する。

光束分離ユニット２０で出射領域が２つに分離された白色光（偏光状態はＳ偏光）は、光束分離ユニット２０の出射面と映像表示素子６が写像関係にあるので、写像レンズ３３・３４・３５により映像表示素子６に照射される。そして、光束分離ユニット２０の近傍に配置した回転プリズム４２の回転によってスクロール作用が行われる。

次に、各色光ごとの説明を行う。

写像レンズ３３を通過した光束は、ダイクロイックミラー９２を透過する第１色光（本実施例では青色）と、反射する第２色光・第３色光（本実施例では緑色と赤色）に分離される。

そして、ダイクロイックミラー９２を透過した青色光のＳ偏光は、光路折り曲げミラー９３で反射し、写像レンズ３４Ｂに入射する。写像レンズ３４Ｂを透過した青色光のＳ偏光は、光路折り曲げミラー９４・９５で反射し、写像レンズ３５Ｂを経て第１映像表示素子６Ｂ（本実施例では青色）に照射する。

第１映像表示素子６Ｂの各画素がＯＮの場合は、第１映像表示素子６Ｂを透過し、色合成プリズム５５のダイクロイック面で反射、投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、液晶シャッタが閉じられるので、光束はスクリーン等に拡大投射されない。

ダイクロイックミラー９２で反射した残りの色光（本実施例では緑色と赤色）は光路折り曲げミラー９６で反射し、写像レンズ３４ＲＧに入射する。写像レンズ３４ＲＧを透過した色光のうち、第２色光（本実施例では緑色）はダイクロイックミラー９７で反射し、光路折り曲げミラー９８で反射し、写像レンズ３５Ｇを経て第２映像表示素子６Ｇ（本実施例では緑色）に入射する。

第２映像表示素子６Ｇの各画素がＯＮの場合は、第２映像表示素子６Ｇを透過し、色合成プリズム５５のダイクロイック面を透過、投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、液晶シャッタが閉じられるので、光束はスクリーン等に拡大投射されない。

最後に、写像レンズ３４ＲＧを通過した第３の色光（本実施例では赤色）はダイクロイックミラー９７を透過し、光路折り曲げミラー９９で反射し、写像レンズ３５Ｒを経て第３映像表示素子６Ｒ（本実施例では赤色）に入射する。

第３映像表示素子６Ｒの各画素がＯＮの場合は、第３映像表示素子６Ｒを透過し、色合成プリズム５５のダイクロイック面で反射、投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、液晶シャッタが閉じられるので、光束はスクリーン等に拡大投射されない。

図２２は、図２に適用する光束分離ユニット２０と基本的には同じ構成であるが、インテグレータをライトパイプ２１からマルチレンズアレイ２２に代えたので、光束分離ユニット２０の光束入射面に、入射遮光板２０６を配置している。これは、不要光が光束分離ユニット２０の入射面以外から直接、光束分離ユニット２０に入射することを防ぐためのものである。

従って、写像関係、偏光作用は本実施の形態においても、図２に同じであり、その重複する詳細な説明を省略する。走査作用については、図１が反射型の回転多面体による走査方式であるのに対して、図２１は透過型の回転プリズムによる走査方式であるが、回転体によるｔａｎｇｅｎｔ作用は共通であり、図９と同様に周辺光量比の改善効果が得られる。

以上の説明では、偏光変換機能による光束分離と組合せた光束分離ユニットを用いていることで、それぞれ単独に偏光変換素子と、光束分離ユニットを設ける必要がないので投射型映像投射装置の大型化を防ぐ効果も期待できる。

ＤＭＤ（digital micromirror device）の場合は、偏光変換機能が不要なので、例えば、ハーフミラーによる光束分離、或いは、入り口が１つで出口が２つに分岐しているライトパイプのようなものによる光束分離でもよい。当然、液晶の映像表示素子を用いた構成において、偏光変換素子と、上記の光束分離ユニットを別々に設けても本発明の効果は得られる。

本発明の第１の実施の形態と、第２の実施の形態も、各色光の光路はその光路長を同等としている。この理由は、各色光での走査光が、それぞれの映像表示素子上で同一方向に走査するためである。即ち、従来のリレー系レンズを用いて１色光の光路のみ光路長が長い照明光学系の構成では、そのリレー系レンズにより再結像を行っているので、但し、走査手段を色分離後に、それぞれ独立に配置する構成を採用することで、走査方向の問題は解消できる。

投射型映像表示装置の構成図の一例である。 図１の光束分離ユニットの構成例である。 ６分割した発光領域の第１領域のラスタ性能図である。 ６分割した発光領域の第２領域のラスタ性能図である。 ６分割した発光領域の第３領域のラスタ性能図である。 ６分割した発光領域の第４領域のラスタ性能図である。 ６分割した発光領域の第５領域のラスタ性能図である。 ６分割した発光領域の第６領域のラスタ性能図である。 ６分割した発光領域の第１、第２、第５、第６領域全体のラスタ性能図である。 図９の発光領域を採用する場合の液晶表示素子の制御回路の制御内容を示す図である。 従来の発光領域の説明図である。 走査方式の原理の説明図である。 回転多面体での走査の説明図である。 空間像と反射角度の第１の説明図である。 空間像と反射角度の第２の説明図である。 回転角度と走査量の関係を説明する図である。 走査方式におけるｔａｎｇｅｎｔ作用を説明する図である。 ６分割した発光領域の第２〜第５領域全体のラスタ性能図である。 図１８の発光領域を採用する場合の液晶表示素子の制御回路の制御内容を示す図である。 図９のラスタ性能図と、図１８のラスタ性能図の比較図である。 投射型映像表示装置の構成図の別の一例である。 図２１の光束分離ユニットの構成例である。

符号の説明

１…光源ユニット、１１…光源、１２…リフレクタ、２０…光束分離ユニット、２０１、２０２…ＰＢＳ、２０３…１／２波長板、２０４…出射遮光板、２０５…スペーサ、２０６…入射遮光板、２０９…遮光部材、２１…ライトパイプ、２２…マルチレンズアレイ、２３…重畳レンズ、３１、３３…縮小光学系、３２…拡大光学系（光路共通化による兼用）、３３、３４、３５…写像レンズ、３６、３７…リレーレンズ、４０…回転多面体、４２…回転プリズム、５１…第１ＰＢＳ、５３…第２ＰＢＳ、５２…第３ＰＢＳ、５４…第４ＰＢＳ、５５…色合成プリズム、６…映像表示素子、７…投射レンズ、８０…１／４波長板、８１、８３…波長選択性位相差板、９０、９４、９５、９６、９８、９９…光路折り曲げミラー、９１、９２、９７…ダイクロイックミラー、１００…光学軸、２８０…空間像、２９０…鏡面像（走査空間像）

Claims (7)

1. 複数の映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
   白色光源と、
   前記白色光源が出射した白色光を入射し、第一の方向で２つ領域に並べて出射する出射面を有する光束分離ユニットであって、前記２つの領域の白色光について前記第一の方向に対し前記出射面の中心を挟んで両側から出射する光束分離ユニットと、
   前記出射面から出射された前記２つの白色光の各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段と、
   前記２つの白色光と前記映像表示素子の間の光路上に、白色光を複数の色光に分離する色分離手段とを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 白色光源と、
   前記白色光源が出射する白色光を空間的に分離し２つの白色光として出射する光束分離ユニットと、
   前記２つの白色光を写像する写像光学系と、
   前記写像光学系により写像され前記２つの白色光を走査する走査手段と、
   前記色光が照射され、且、映像信号に応じた光学像を形成する複数の映像表示素子と、
   前記２つの白色光と前記映像表示素子の間の光路上に、白色光を複数の色光に分離する色分離手段と、
   前記映像表示素子が形成した光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
   前記光束分離ユニットは、出射する２つの白色光について、前記写像光学系の光学軸を挟んだ両側から出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項１から請求項２のいずれか一つに記載の投射型映像表示装置であって、
   前記光束分離ユニットは、
   偏光分離作用を有する偏光分離プリズムまたは偏光分離板を備えることを特徴とする投射型映像表示装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の投射型映像表示装置であって、
   前記走査手段は、表面に反射面を有する回転多面体であることを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の投射型映像表示装置であって、
   前記走査手段は、それぞれ向い合う入射面と出射面が平行な位置関係にある回転プリズムであることを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 請求項１乃至２のいずれか一つに記載の投射型映像表示装置であって、
   前記光束分離ユニットは、前記少なくとも１色について、前記光学軸に対し対称に両側から白色バーを出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
7. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の投射型映像表示装置であって、
   前記各色光の光路長がほぼ等しいことを特徴とする投射型映像表示装置。

Images