JP2008165084A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３眼投射方式を用いた投射型画像表示装置において、投射レンズの短焦点化、小型化及び硝材コストの低廉化を図り、投射レンズ間の距離が短縮し、スクリーン上でカラーシフトを防止し、かつ、高コントラスト比の画像表示を実現する。
【解決手段】第１乃至第３の投射ユニット１，２，３を備え、各投射ユニット１，２，３は、半導体光源４Ｒ，４Ｇ，４Ｂからの光により照明される空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂと、この空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを経てワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂにより反射された光をスクリーン１０１に投射する投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂとを有し、それぞれの光軸を一平面上において略平行として配置され、スクリーン１０１上において各色の画像を合成してカラー画像を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光源を用いた投射型画像表示装置に関する。

従来、光源からの光により空間変調素子を照明し、この空間変調素子を経た光を投射レンズによってスクリーン上に投射することにより、画像表示を行う投射型画像表示装置が提案されている。

このような投射型画像表示装置として、第１の色の光（例えば、赤色）により照明される第１の空間変調素子と、第２の色の光（例えば、緑色）により照明される第２の空間変調素子と、第３の色の光（例えば、青色）により照明される第３の空間変調素子とを備え、これら各空間変調素子を経た光を色合成光学系により合成し、一の投射レンズによってスクリーンに投射するようにした装置（いわゆる単眼投射方式の投射型画像表示装置）が提案されている。

また、特許文献１には、白色光源からの光を色分解光学系によって色分解し、色分解された第１乃至第３の色（赤色、緑色、青色）の光を第１乃至第３の空間変調素子に対応させて各空間変調素子を照明し、これら各空間変調素子を経た光を、各空間変調素子に対応された３本の投射レンズによってスクリーンに投射し、スクリーン上で色合成するようにした装置（いわゆる３眼投射方式の投射型画像表示装置）が記載されている。

米国特許第６４３１７０９号明細書

ところで、前述の単眼投射方式の投射型画像表示装置においては、各空間変調素子と投射レンズとの間に色合成光学系を配置しなければならないため、投射レンズのバックフォーカスを十分に長いものとする必要がある。そのため、投射レンズの短焦点化や小型化が困難であり、装置構成の大型化や製造コストの高騰が招来されることとなる。

また、色合成光学系は、例えば、クロスダイクロイックプリズムの如きプリズムを備えて構成されており、その特性は、入射光の入射角度の影響を受ける。そのため、投射レンズは、テレセントリックに近い瞳位置を持つことが必要であり、投射レンズの後群が大径化し、装置構成の大型化や製造コストの高騰が招来される。

さらに、投射レンズにおいては、色収差の補正を広帯域に亘って行わなければならず、異常分散硝子の使用をする必要が生ずるなど、硝材コストの高騰化が招来される虞がある。

さらに、色合成光学系のクロスダイクロイックプリズム等は、空間光変調素子の表面に平行な面を有しているため、この面での反射光により、黒表示におけるコントラストの低下（黒レベルの上昇）が生ずる虞がある。

そして、前述の３眼投射方式の投射型画像表示装置においては、白色光源からの光を色分解する色分解光学系を有することにより、異なる色の画像を投射する投射レンズ間の距離が大きくなり、視点移動に伴って、スクリーン上でカラーシフトが生ずる虞がある。

また、色分解光学系において、各色の光の光路長を同一にする必要があるため、各色用の投射レンズの配置に自由度が少なく、また、各色用の投射レンズの投射倍率調整やレジストレーション調整について制約が大きいという問題がある。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、３眼投射方式を用いた投射型画像表示装置であって、投射レンズの短焦点化、小型化及び硝材コストの低廉化を図りつつ、投射レンズ間の距離が短縮され、スクリーン上でカラーシフトが防止され、かつ、高コントラスト比の画像表示を実現するとともに、黒表示におけるコントラストの低下が防止され、さらに、レジストレーション性能の向上が図られた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、非球面反射鏡によって光路を折り曲げることによって装置構成の薄型化、小型化を実現しつつ、各投射レンズを最適化することによって画像歪を低減させた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る投射型画像表示装置は、以下のいずれか一の構成を有するものである。

〔構成１〕
３原色のうちの第１の色の光を発する第１の半導体光源とこの第１の半導体光源からの光により照明される第１の空間光変調素子とこの第１の空間光変調素子を経て第１のワイヤグリッド反射型偏光板により反射された光をスクリーンに投射する第１の投射レンズとを有する第１の投射ユニットと、３原色のうちの第２の色の光を発する第２の半導体光源とこの第２の半導体光源からの光により照明される第２の空間光変調素子とこの第２の空間光変調素子を経て第２のワイヤグリッド反射型偏光板により反射された光をスクリーンに投射する第２の投射レンズとを有する第２の投射ユニットと、３原色のうちの第３の色の光を発する第３の半導体光源とこの第３の半導体光源からの光により照明される第３の空間光変調素子とこの第３の空間光変調素子を経て第３のワイヤグリッド反射型偏光板により反射された光をスクリーンに投射する第３の投射レンズとを有する第３の投射ユニットとを備え、各投射ユニットは、それぞれの光軸を一平面上において略平行として配置されており、スクリーン上において、各色の画像を合成してカラー画像を表示することを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する投射型画像表示装置において、各投射ユニットが投射する光を反射してスクリーンに導く非球面反射鏡を備え、各投射ユニットにおける投射レンズは、非球面反射鏡において生ずる画像歪を補償する非球面レンズを有することを特徴とするものである。

〔構成３〕
構成１、または、構成２を有する投射型画像表示装置において、各投射ユニットにおける半導体光源は、ＬＥＤであることを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成１乃至構成３のいずれか一を有する投射型画像表示装置において、各投射ユニットにおける空間光変調素子は、反射型空間光変調素子であることを特徴とするものである。

構成１を有する本発明に係る投射型画像表示装置においては、それぞれの光軸を一平面上において略平行として配置されスクリーン上において各色の画像を合成してカラー画像を表示する各投射ユニットは、空間光変調素子を経てワイヤグリッド反射型偏光板により反射された半導体光源からの光をスクリーンに投射するので、色合成光学系が存在せず、各投射レンズのバックフォーカスを短くすることができ、各投射レンズの小型化及び低コスト化を図ることができる。また、この投射型画像表示装置においては、ワイヤグリッド反射型偏光板が入射光の入射角に影響されにくい特性を有していることから、各投射レンズを非テレセントリックな構成とすることができ、各投射レンズの小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、この投射型画像表示装置においては、各投射レンズ間の距離を短縮することができ、装置構成の小型化を図ることができ、装置の配置の自由度が向上されるとともに、レジストレーション性能の向上を図ることができる。

さらに、この投射型画像表示装置においては、高コントラスト比の画像表示を行うことができ、空間光変調素子に対して平行な白色入射面が存在しないことから、黒表示におけるコントラストの低下を防止することができる。

構成２を有する本発明に係る投射型画像表示装置においては、各投射ユニットにおける投射レンズは、各投射ユニットが投射する光を反射してスクリーンに導く非球面反射鏡において生ずる画像歪を補償する非球面レンズを有するので、装置構成を薄型化、小型化しつつ、画像歪を防止して、良好な画像表示を行うことができる。

構成３を有する本発明に係る投射型画像表示装置においては、各投射ユニットにおける半導体光源は、ＬＥＤであるので、良好な色再現性を有する画像表示を行うことができる。

構成４を有する本発明に係る投射型画像表示装置においては、各投射ユニットにおける空間光変調素子は、反射型空間光変調素子であるので、装置構成の小型化を図りつつ、良好な画像表示を行うことができる。

すなわち、本発明は、３眼投射方式を用いた投射型画像表示装置であって、投射レンズの短焦点化、小型化及び硝材コストの低廉化を図りつつ、投射レンズ間の距離が短縮され、スクリーン上でカラーシフトが防止され、かつ、高コントラスト比の画像表示を実現するとともに、黒表示におけるコントラストの低下が防止され、さらに、レジストレーション性能の向上が図られた投射型画像表示装置を提供することができるものである。

さらに、本発明は、非球面反射鏡によって光路を折り曲げることによって装置構成の小型化を実現しつつ、各投射レンズを最適化することによって画像歪を低減させた投射型画像表示装置を提供することができるものである。

以下、本発明に係る投射型画像表示装置について、図面を参照して詳細に説明する。

〔投射型画像表示装置の第１の実施の形態〕
図１は、本発明に係る投射型画像表示装置の第１の実施の形態における構成を示す斜視図である。

本発明に係る投射型画像表示装置は、図１に示すように、第１乃至第３の投射ユニット１，２，３を有し、これら投射ユニット１，２，３がそれぞれの光軸を一平面上において略平行として配置されて構成された３眼投射方式の投射型画像表示装置である。これら投射ユニット１，２，３は、それぞれが異なる色の画像をスクリーン１０１に投射し、このスクリーン１０１上において、各色の画像を合成してカラー画像を表示する。

図２は、本発明に係る投射型画像表示装置を構成する投射ユニットの構成を示す側面図である。

第１の投射ユニット１は、図２に示すように、３原色のうちの第１の色の光、例えば、赤色（Ｒ）を発する半導体光源４Ｒと、この半導体光源４Ｒからの光により照明される空間光変調素子５Ｒと、この空間光変調素子５Ｒを経てワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒにより反射された光をスクリーンに投射する投射レンズ７Ｒとを有する。

同様に、第２の投射ユニット２は、図２に示すように、３原色のうちの第２の色の光、例えば、緑色（Ｇ）を発する半導体光源４Ｇと、この半導体光源４Ｇからの光により照明される空間光変調素子５Ｇと、この空間光変調素子５Ｇを経てワイヤグリッド反射型偏光板６Ｇにより反射された光をスクリーンに投射する投射レンズ７Ｇとを有する。

同様に、第３の投射ユニット３は、図２に示すように、３原色のうちの第３の色の光、例えば、青色（Ｂ）を発する半導体光源４Ｂと、この半導体光源４Ｂからの光により照明される空間光変調素子５Ｂと、この空間光変調素子５Ｂを経てワイヤグリッド反射型偏光板６Ｂにより反射された光をスクリーンに投射する投射レンズ７Ｂとを有する。

各投射ユニット１，２，３における半導体光源４Ｒ，４Ｇ，４Ｂとしては、半導体レーザやＬＥＤ等の発光波長の帯域の狭い光源であり、特に、ＬＥＤであることが望ましい。また、各投射ユニット１，２，３における空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、反射型空間光変調素子であることが望ましい。

各投射ユニット１，２，３においては、半導体光源４Ｒ，４Ｇ，４Ｂから射出された照明光は、照明光学系８Ｒ，８Ｇ，８Ｂを経て、光軸に対して傾斜されて設置されたワイヤグリッド（Wire Grid）反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに入射される。照明光学系８Ｒ，８Ｇ，８Ｂは、ライトパイプ、または、ライトトンネルなどのインテグレータを有して構成され、照明光の照度分布を均一化する機能を有し、また、偏光方向を揃える機能を有している。この照明光学系８Ｒ，８Ｇ，８Ｂにおけるライトパイプ、または、ライトトンネルは、射出側の開口が広くなっているテーパ形状とすることが望ましい。

ワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに入射された照明光は、このワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに対してＰ偏光となされており、このワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂを透過する。

ワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂを透過した照明光は、図示しないフィールドレンズに入射し、主光線が平行に近い照明光に変換される。この照明光は、空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに入射され、この空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂに供給されている画像信号に応じて偏光変調される。空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂが反射型空間光変調素子である場合、変調された照明光は、空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂの画素電極上で反射される。

空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを経た照明光、すなわち、変調光は、フィールドレンズに再度入射し、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの瞳位置に向かって収斂され、ワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに戻る。このワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂにおいて、変調光は、ワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに対してＳ偏光となされており、このワイヤグリッド反射型偏光板６Ｒ，６Ｇ，６Ｂによって反射されて、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに向かう。

投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに入射された変調光は、この投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂにより、スクリーン１０１上に結像される。

この投射型画像表示装置において、スクリーン１０１上において表示画像が合成されるためには、各投射ユニット１，２，３を配置し、各投射ユニット１，２，３において、所定の投射距離に対応して、空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂをシフト調整する。所定の投射距離は、この投射型画像表示装置において、最も短い投射距離であることが望ましい。

次に、各投射ユニット１，２，３の投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの倍率誤差を補正するために、各投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ内に設けた焦点距離微調整機構により、または、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ全体を前後移動させることによって、投射倍率を調整する。したがって、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂには、焦点距離微調整機構を設けておくことが望ましい。

さらに、必要な投射距離に対応して、各投射ユニット１，２，３の全体をシフト調整することにより、スクリーン１０１上において画像合成を行う。したがって、各投射ユニット１，２，３は、投射距離に応じてスクリーン１０１上での画像合成を行うための調整機構により支持されていることが望ましい。また、このとき、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに設けられているフォーカス機構を調整することにより、フォーカシング調整を行う。

このようにして、スクリーン１０１上において、各投射ユニット１，２，３が表示する画像が合成される。

なお、この投射型画像表示装置において、第１の投射ユニット１の投射レンズ７Ｒを、第２の投射ユニット２側の部分を直線状にカットした形状（Ｄカット）とし、また、第３の投射ユニット３の投射レンズ７Ｂを、第２の投射ユニット２側の部分を直線状にカットした形状（Ｄカット）とし、さらに、第２の投射ユニット２の投射レンズ７Ｇを、両側部分を直線状にカットした形状（Ｉカット）としておくことにより、これら投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ間の距離（軸間距離）を短くすることができる。

〔投射型画像表示装置の第２の実施の形態〕
図３は、本発明に係る投射型画像表示装置の第２の実施の形態における構成を示す側面図である。

この実施の形態における投射型画像表示装置は、前述の第１の実施の形態における投射型画像表示装置において、図３に示すように、各投射ユニット１，２，３が投射する光を反射してスクリーン１０１に導く非球面反射鏡９を設けたものである。各投射ユニット１，２，３の構成は、前述の第１の実施の形態におけるものと同様である。ただし、この投射型画像表示装置においては、各投射ユニット１，２，３における投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂは、非球面反射鏡９において生ずる画像歪を補償する非球面レンズを有するものとなっている。これら投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂにおける画像歪の補正は、その投射ユニット１，２，３が投射する変調光の色ごとに最適化されたものとなっている。

この投射型画像表示装置においては、各投射ユニット１，２，３の投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂから射出された変調光は、非球面反射鏡９に入射され、この非球面反射鏡９に反射されることによって、スクリーン１０１上で画像合成される。なお、非球面反射鏡９は、凸面鏡であっても凹面鏡であってもよい。

非球面反射鏡９の表面では、各投射ユニット１，２，３からの変調光は、反射位置が異なるため、入射角も異なる。そのため、光軸上に配置された中央の投射ユニット２に対して最適化した非球面反射鏡９に対しては、両側の投射ユニット１，３からの変調光については、画像歪が生ずる。そこで、両側の投射ユニット１，３の投射レンズ７Ｒ，７Ｂが有する非球面レンズは、中央の投射ユニット２とは異なる歪曲収差を補正するべく、最適化されたものとなっている。

この投射型画像表示装置においても、スクリーン１０１上において表示画像が合成されるためには、各投射ユニット１，２，３及び非球面反射鏡９を配置し、各投射ユニット１，２，３において、所定の投射距離に対応して、空間光変調素子５Ｒ，５Ｇ，５Ｂをシフト調整する。所定の投射距離は、この投射型画像表示装置において、最も短い投射距離であることが望ましい。

次に、各投射ユニット１，２，３の投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂの倍率誤差を補正するために、各投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ内に設けた焦点距離微調整機構により、または、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ全体を前後移動させることによって、投射倍率を調整する。したがって、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂには、焦点距離微調整機構を設けておくことが望ましい。

さらに、必要な投射距離に対応して、各投射ユニット１，２，３の全体をシフト調整することにより、スクリーン１０１上において画像合成を行う。したがって、各投射ユニット１，２，３は、投射距離に応じてスクリーン１０１上での画像合成を行うための調整機構により支持されていることが望ましい。また、このとき、投射レンズ７Ｒ，７Ｇ，７Ｂに設けられているフォーカス機構を調整することにより、フォーカシング調整を行う。

このようにして、スクリーン１０１上において、各投射ユニット１，２，３が表示する画像が合成される。

本発明に係る投射型画像表示装置の第１の実施の形態における構成を示す斜視図である。 前記投射型画像表示装置を構成する投射ユニットの構成を示す側面図である。 本発明に係る投射型画像表示装置の第２の実施の形態における構成を示す側面図である。

符号の説明

１ 第１の投射ユニット
２ 第２の投射ユニット
３ 第３の投射ユニット
４Ｒ 半導体光源（Ｒ）
４Ｇ 半導体光源（Ｇ）
４Ｂ 半導体光源（Ｂ）
５Ｒ 空間変調素子（Ｒ）
５Ｇ 空間変調素子（Ｇ）
５Ｂ 空間変調素子（Ｂ）
６Ｒ ワイヤグリッド反射型偏光板（Ｒ）
６Ｇ ワイヤグリッド反射型偏光板（Ｇ）
６Ｂ ワイヤグリッド反射型偏光板（Ｂ）
７Ｒ 投射レンズ（Ｒ）
７Ｇ 投射レンズ（Ｇ）
７Ｂ 投射レンズ（Ｂ）
９ 非球面反射鏡

Claims (4)

1. ３原色のうちの第１の色の光を発する第１の半導体光源と、この第１の半導体光源からの光により照明される第１の空間光変調素子と、この第１の空間光変調素子を経て第１のワイヤグリッド反射型偏光板により反射された光をスクリーンに投射する第１の投射レンズとを有する第１の投射ユニットと、
   ３原色のうちの第２の色の光を発する第２の半導体光源と、この第２の半導体光源からの光により照明される第２の空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子を経て第２のワイヤグリッド反射型偏光板により反射された光をスクリーンに投射する第２の投射レンズとを有する第２の投射ユニットと、
   ３原色のうちの第３の色の光を発する第３の半導体光源と、この第３の半導体光源からの光により照明される第３の空間光変調素子と、この第３の空間光変調素子を経て第３のワイヤグリッド反射型偏光板により反射された光をスクリーンに投射する第３の投射レンズとを有する第３の投射ユニットと
   を備え、
   前記各投射ユニットは、それぞれの光軸を一平面上において略平行として配置されており、前記スクリーン上において、各色の画像を合成してカラー画像を表示する
   ことを特徴とする投射型画像表示装置。
2. 前記各投射ユニットが投射する光を反射して前記スクリーンに導く非球面反射鏡を備え、
   前記各投射ユニットにおける投射レンズは、前記非球面反射鏡において生ずる画像歪を補償する非球面レンズを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の投射型画像表示装置。
3. 前記各投射ユニットにおける半導体光源は、ＬＥＤである
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の投射型画像表示装置。
4. 前記各投射ユニットにおける空間光変調素子は、反射型空間光変調素子である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載の投射型画像表示装置。

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