JP2008191289A - 表示装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】色の滲みが生じにくく、高品位の画像を表示できる表示装置及びこれを組み込んだプロジェクタを提供すること。
【解決手段】各クロスプリズム６３が、各レンズ要素６１ａからの射出光を、直進する緑光ＧＬと側方に折り曲げられる赤光ＲＬ及び青光ＢＬとに分離し、第１及び第２ミラー板６４，６５が、各クロスプリズム６３の側方に射出された赤光ＲＬ及び青光ＢＬを、緑光ＧＬの射出方向に沿って射出させるので、赤光ＲＬ、緑光ＧＬ、及び青光ＢＬの光路差が比較的少なくなる。よって、各クロスプリズム６３で分岐された各色ＲＬ，ＧＬ，ＢＬの光が混ざって色表示素子ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３に入射することを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネルを用いて画像を表示する表示装置、及びかかる表示装置を組み込んだプロジェクタに関する。

液晶プロジェクタとして、レンズアレイと液晶パネルとを備えるものが存在し、この液晶プロジェクタでは、レンズアレイと液晶パネルとの間にダイクロイックミラーアレイを配置しており、各レンズからの射出光をＲ光、Ｇ光、及びＢ光に順次分割して液晶パネルの各表示ドットに入射させる（特許文献１参照）。
特開２０００−１３７２２０号公報

しかし、液晶プロジェクタでは、２つのダイクロイックミラーを光路上に並べてＲ光、Ｇ光、及びＢ光の分離を行っているので、レンズアレイの各レンズによってビーム径を減少させた平行光束を形成しなければ、表示ドット間で色の滲みが生じやすくなり、投射画像の画質が劣化する。

そこで、本発明は、色の滲みが生じにくく、高品位の画像を表示できる表示装置及びこれを組み込んだプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る表示装置は、（ａ）照明用の光束を射出する光源と、（ｂ）２次元的に配列された複数のレンズ要素を含み、光源からの光束を、各レンズ要素によって分割するレンズアレイと、（ｃ）複数のレンズ要素のそれぞれに対応して設けられ、各レンズ要素からの射出光を、直進する第１色の光と、側方に折り曲げられる第２及び第３色の光とにそれぞれ分離する複数のクロスプリズムと、（ｄ）複数のクロスプリズムのそれぞれに対応して設けられ、各クロスプリズムの側方に射出された第２及び第３色の光を、第１色の光の射出方向に沿ってそれぞれ射出させる一対の反射素子をそれぞれ含む複数の反射ユニットと、（ｅ）３つの色表示素子を一組とする複数の画素を含み、各画素において、３つの色表示素子が、各クロスプリズムを直進する第１色の光と、各クロスプリズムに対応する各反射ユニットから射出される第２及び第３色の光とを個別に変調する透過型の液晶表示部とを備える。

上記表示装置では、各クロスプリズムが、各レンズ要素からの射出光を直進する第１色の光と側方に折り曲げられる第２及び第３色の光とに分離し、反射ユニットを構成する一対の反射素子が、各クロスプリズムの側方に射出された第２及び第３色の光を、第１色の光の射出方向に沿って射出させるので、第１色の光と第２及び第３色の光との光路差が比較的少なくなる。よって、各クロスプリズムで分岐された各色の光が混ざって色表示素子に入射することを防止できるので、色の滲みを抑えた高品位の画像を表示することができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点では、上記表示装置において、各クロスプリズムの側方と、一対の反射素子との間に、空気又は各クロスプリズムに対して屈折率の異なる接着剤を介在させている。この場合、クロスプリズムを通過する際に第１色の光が側方に漏れることや、一対の反射素子で反射された第２及び第３色の光がクロスプリズムに戻ることを比較的確実に防止できる。

本発明の別の態様では、各クロスプリズムが、直進する第１色の光に対して略４５°傾斜し互いに直交する一対のダイクロイックフィルタを内蔵し、各反射ユニットを構成する一対の反射素子が、一対のダイクロイックフィルタにそれぞれ平行に配置される。この場合、同一の光束から分割された第１色第２及び第３色の光を平行に液晶表示部に入射させることができる。

本発明のさらに別の態様では、記光源からの光束を均一化する均一化光学系と、レンズアレイに入射させる光束の偏光方向を揃える偏光変換装置とをさらに備える。この場合、均一化光学系によって液晶表示部に対する輝度ムラの無い照明が可能になり、偏光変換装置によって少ない損失で液晶表示部を照明することができる。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述の表示装置と、（ｂ）上述の液晶表示部で形成された画像を投射する投射レンズとを備える。

本プロジェクタは、上述の表示装置を備えるので、各画素において各色の光が混ざって色表示素子に入射することを防止でき、色の滲みを抑えた高品位の画像を投射することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る表示装置を含むプロジェクタを説明する側面図である。このプロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２０と、光源装置２０から射出される光源光を均一化する均一化光学系４０と、均一化光学系４０を経た照明光を特定方向の偏光にする偏光変換装置５０と、偏光変換装置５０を経た照明光を３原色のパターンに空間的に分離する画素色分離部６０と、画素色分離部６０を経て空間的に分離された３原色のパターンによって照明される光変調部７０と、光変調部７０からの像光をスクリーン（不図示）に投射する投射レンズ９０とを備える。

以上のプロジェクタ１０において、光源装置２０は、光源としての発光素子２１と、発光素子２１を支持する基板部２２と、基板部２２の背面に固定されたヒートシンク２３と、ヒートシンク２３を空冷する放熱ファン２４とを備える。

ここで、発光素子２１は、赤色の波長域の光源光を発生するチップ２１Ｒと、緑色の波長域の光源光を発生するチップ２１Ｇと、青色の波長域の光源光を発生するチップ２１Ｂとを、電源配線等を備える回路基板上に実装した光源パッケージである。各チップ２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂは、ＬＥＤ（フォトダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の固体発光素子で構成される。ヒートシンク２３は、放熱ファン２４側に多数の突起状の放熱フィンを有しており、放熱性の向上が図られている。放熱ファン２４は、ヒートシンク２３に空気を送ることでヒートシンク２３の強制的な空冷を行う。なお、基板部２２とヒートシンク２３との間には、基板部２２すなわち発光素子２１を所望の温度に冷却するペルチェ素子を配置することもできる。

均一化光学系４０は、ロッドインテグレータであり、截頭四角錘状で偏光変換装置５０に向けて先広がりの導光部材４１と、導光部材４１の４側面を覆うミラー４２とを備える。導光部材４１は、光透過性の材料、例えばガラス等で形成されており、発光素子２１が固定される入射端４１ａから偏光変換装置５０が固定される射出端４１ｂに向かって矩形の断面寸法が徐々に増大している。これにより、導光部材４１の側面に設けられたミラー４２は、導光部材４１の一端である入射端４１ａから入射した光束のうち光軸ＯＡ１に対して比較的角度が大きなものを１回以上反射して均一化し、このように均一化された反射光を射出端４１ｂから偏光変換装置５０側に射出させる。この際、上述のように導光部材４１の断面寸法が入射端４１ａから射出端４１ｂに向かって増加しているので、光軸ＯＡ１に対して比較的大きな角度を成す光束が、光軸ＯＡ１に対して比較的小さな角度を成す光束に変換される。これにより、光軸ＯＡ１に沿った比較的広がりの少ない均一な光束を射出端４１ｂから射出させることができる。なお、均一化光学系４０は、中空の導光部材に置き換えることができる。

偏光変換装置５０は、偏光分離膜５１と、反射膜５２と、波長板５３とを備える。偏光分離膜５１は、平行四辺形プリズム５５ａと直角三角形プリズム５５ｂとに挟まれており、反射膜５２は、平行四辺形プリズム５５ａの反対側面に設けられており、波長板５３は、例えば平行四辺形プリズム５５ａの射出側に配置されている。偏光分離膜５１と反射膜５２とは、いずれかのプリズム５５ａ，５５ｂの斜面上に蒸着によって形成された誘電体多層膜であり、光軸ＯＡ２に対して４５°傾斜した状態で配置されている。これらのうち、前者の偏光分離膜５１は、均一化光学系４０を経た光源装置２０からのランダム偏光である光源光のうち特定方向の直線偏光（具体的にはＰ偏光）である第１光束Ｌ１を透過させるとともに、これに直交する方向の直線偏光（具体的にはＳ偏光）である第２光束Ｌ２を反射し、結果的に直交する２つの直線偏光成分にそれぞれ対応する第１及び第２光束Ｌ１，Ｌ２を効率よく分離する。また、後者の反射膜５２は、偏光分離膜５１で反射された第２光束Ｌ２を反射して光路を折り曲げ、平行四辺形プリズム５５ａから光軸ＯＡ２方向に沿って射出させる。結果的に、第１光束Ｌ１と第２光束Ｌ２とが光軸ＯＡ２に略平行に射出され、かつ、第１光束Ｌ１と第２光束Ｌ２とが切れ目なくつなぎ合わされる。この反射膜５２は、金属膜の蒸着ミラーに置き換えることもできる。波長板５３は、１／２波長板で形成された位相素子であり、上記反射膜５２で反射され平行四辺形プリズム５５ａから光軸ＯＡ２方向に略沿って射出される第２光束Ｌ２を、これに直交する成分の直線偏光（具体的にはＰ偏光）に変換する。ここで、偏光分離膜５１を透過・直進する第１光束Ｌ１は、偏光分離膜５１及び反射膜５２で反射されて波長板５３を通過した後の第２光束Ｌ２と略同一の強度及び偏光方向を有している。このような偏光変換装置５０を用いることにより、光源装置２０から射出され均一化光学系４０を経た両光束Ｌ１，Ｌ２を、一方向の偏光光束に揃えることができ、画素色分離部６０や光変調部７０に取り込まれる照明光の利用率を向上させることができる。

画素色分離部６０は、ＸＹ面内にマトリックス状に配列された多数のレンズ要素６１ａからなるレンズアレイ６１と、各レンズ要素６１ａに対向してマトリックス状に配列された色分離素子６２ａからなる色分離アレイ６２とを備える。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）は、レンズアレイ６１及び色分離アレイ６２の構造を説明する平面図及び側面図である。

レンズアレイ６１は、偏光変換装置５０から射出された略白色の照明光ＬＷを各レンズ要素６１ａによって分割し、各レンズ要素６１ａに対向して設けられている色分離素子６２ａに入射させる。図面では、説明のためレンズ要素６１ａの配列数を少なくしているが、実際には、画素数に対応して多数の微細なレンズ要素６１ａが設けられる。なお、各レンズ要素６１ａは、ＸＹ面内において例えば矩形の輪郭を有し、色分離素子６２ａがＸＹ面内において有する輪郭と略一致している。ここで、レンズアレイ６１には、厳密にコリメートされた照明光ＬＷが入射するのではなく、幾分発散する光束が入射するが、各レンズ要素６１ａから分割されて射出される光束は、全体として収束する光束となっており、色分離素子６２ａを構成する中央のクロスプリズム６３のみに入射する。

色分離アレイ６２を構成する各色分離素子６２ａは、クロスプリズム６３と、第１ミラー６４と、第２ミラー板６５とを含む。これらクロスプリズム６３及びミラー板６４，６５は、紙面に垂直なＹ方向に延びており、それらの両端すなわち画面の両端側において、不図示の部材によって固定されている。このうち、クロスプリズム６３は、４つの直角プリズムを貼り合わせたＸＹ面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜６３ａ，６３ｂが形成されている。一方の第１誘電体多層膜６３ａは赤色光を反射するダイクロイックフィルタであり、他方の第２誘電体多層膜６３ｂは青色光を反射するダイクロイックフィルタである。このクロスプリズム６３は、レンズ要素６１ａから入射面６３ｃに入射した略白色の照明光ＬＷのうち、赤光ＲＬを第１誘電体多層膜６３ａで反射して上側の側面６３ｄから射出させ、緑光ＧＬを第１及び第２誘電体多層膜６３ａ，６３ｂを介して直進・射出させ、青光ＢＬを第２誘電体多層膜６３ｂで反射して下側の側面６３ｅから射出させる。クロスプリズム６３の側面６３ｄから射出された赤光ＲＬは、側面６３ｄに対して例えば４５°傾斜したミラー板６４の反射面６４ａで反射されて緑光ＧＬと同様のＺ方向に光路を折り曲げられる。また、クロスプリズム６３の側面６３ｅから射出された青光ＢＬは、側面６３ｅに対して例えば４５°傾斜したミラー板６５の反射面６５ａで反射されて緑光ＧＬと同様のＺ方向に光路を折り曲げられる。つまり、第１及び第２ミラー板６４，６５は、それぞれ反射素子であり、両者を併せて、クロスプリズム６３の上下側面６３ｄ，６３ｅから射出される赤光ＲＬ及び青光ＢＬを緑光ＧＬと一致する射出方向に沿ってそれぞれ射出させる反射ユニットとして機能する。以上の色分離アレイ６２において、一対の誘電体多層膜６３ａ，６３ｂは、直進する緑光ＧＬに対して略４５°傾斜して互いに直交し、一対のミラー板６４，６５の反射面６４ａ，６５ａは、一対の誘電体多層膜６３ａ，６３ｂに平行に配置されている。

光変調部７０は、液晶表示パネルからなる光透過型の液晶表示部であり、外部から入力された画像信号に応じて照明光の偏光方向を切替えることで光変調を行う。光変調部７０は、偏光方向を調節する光変調層７１と、この光変調層７１を挟む一対の基板７２，７３と、射出側の基板７３に対向して配置される偏光フィルタ７５とを備える。ここで、光変調層７１と偏光フィルタ７５とは、光変調用の液晶ライトバルブを構成する。なお、偏光フィルタ７５は、射出側の基板７３だけでなく、入射側の基板７２と色分離アレイ６２との間に設けることもできる。光変調層７１において、色分離アレイ６２を構成する各色分離素子６２ａに対向してＹ方向に配列される多数の画素ＰＸが配置されている。各画素ＰＸは、Ｘ方向に配列された３つの色表示素子ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３を含んでいる。第１の色表示素子ＣＥ１は、色分離素子６２ａのミラー板６４のＺ方向に配置されており、第２の色表示素子ＣＥ２は、同色分離素子６２ａのクロスプリズム６３のＺ方向に配置されており、第３の色表示素子ＣＥ３は、同色分離素子６２ａのミラー板６５のＺ方向に配置されている。つまり、第１の色表示素子ＣＥ１には、ミラー板６４を経た赤光ＲＬが入射し、第２の色表示素子ＣＥ２には、クロスプリズム６３を直進した緑光ＧＬが入射し、第３の色表示素子ＣＥ３には、ミラー板６４を直進した青光ＢＬが入射する。これにより、光変調部７０に入射した画素色分離部６０からの照明光である赤光ＲＬ、緑光ＧＬ、及び青光ＢＬがそれぞれ個別に輝度変調される。

投射レンズ２９は、光変調部７０で形成されたカラーの像光を、所望の倍率でスクリーン（不図示）上に投射する。つまり、光変調部７０に入力された駆動信号或いは画像信号に対応する所望の倍率のカラー動画やカラー静止画がスクリーン上に投射される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態のプロジェクタ１０によれば、画素色分離部６０において、各クロスプリズム６３が、各レンズ要素６１ａからの射出光を、直進する緑光ＧＬと側方に折り曲げられる赤光ＲＬ及び青光ＢＬとに分離し、第１及び第２ミラー板６４，６５が、各クロスプリズム６３の側方に射出された赤光ＲＬ及び青光ＢＬを、緑光ＧＬの射出方向に沿って射出させるので、赤光ＲＬ、緑光ＧＬ、及び青光ＢＬの光路差が比較的少なくなる。よって、各クロスプリズム６３で分岐された各色ＲＬ，ＧＬ，ＢＬの光が混ざって色表示素子ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３に入射することを防止できるので、色の滲みを抑えた高品位の画像を表示することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る表示装置を含むプロジェクタについて説明する。第２実施形態におけるプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタを変形したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態と同様であり重複説明を省略する。

図３は、第２実施形態のプロジェクタにおける画素色分離部１６０に組み込まれる色分離アレイ１６２等の構造を説明する側面図である。この場合、色分離アレイ１６２を構成する各色分離素子１６２ａは、クロスプリズム６３と、第１プリズムミラー１６４と、第２プリズムミラー１６５とを含む。このうち、両プリズムミラー１６４，１６５は、それぞれ２つの直角プリズムを貼り合わせたＸＹ面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、金属蒸着膜や誘電体多層膜である反射面１６４ａ，１６５ａが形成されている。なお、クロスプリズム６３の側面６３ｄと、第１プリズムミラー１６４との間には、接着剤層や空気層が形成されており、クロスプリズム６３の側面６３ｅと、第２プリズムミラー１６５との間にも、接着剤層や空気層が形成されている。この場合、クロスプリズム６３の側面６３ｄから射出された赤光ＲＬは、第１プリズムミラー１６４の反射面１６４ａで反射されて緑光ＧＬと同様にＺ方向に光路を折り曲げられる。また、クロスプリズム６３の側面６３ｅから射出された青光ＢＬは、第２プリズムミラー１６５の反射面１６５ａで反射されて緑光ＧＬと同様のＺ方向に光路を折り曲げられる。

この際、クロスプリズム６３を直進する緑光ＧＬが上下側面６３ｄ，６３ｅ内面で全反射され、かつ反射面１６４ａ，１６５ａで反射される赤光ＲＬ及び青光ＢＬが両プリズムミラー１６４，１６５のクロスプリズム６３側の内面で全反射されるので、色表示素子ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３に入射する色の混じりを低減することができる。このような構成をとることにより、レンズアレイ６１を構成する各レンズ要素６１ａの焦点距離や配置設定の自由度が増すことにもなる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、均一化光学系４０や偏光変換装置５０を光源装置２０の後段に配置しているが、これらの均一化光学系４０や偏光変換装置５０を省略することもできる。

また、上記実施形態では、ＬＥＤやＬＤ等の固体発光素子によって光源装置２０を構成しているが、高圧水銀ランプ等によって光源装置２０を構成することができる。

上記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。

また、上記実施形態では、プロジェクタ１０について説明したが、投射レンズ９０を除いた光源装置２０と、均一化光学系４０と、偏光変換装置５０と、画素色分離部６０と、光変調部７０とによって単独で使用される直視型の表示装置とすることができる。

第１実施形態のプロジェクタを概念的に説明するブロック図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、レンズアレイ等の構造を説明する平面図及び側面図である。 第２実施形態のプロジェクタを概念的に説明するブロック図である。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２０…光源装置、 ２１…発光素子、 ２３…ヒートシンク、 ２４…放熱ファン、 ２９…投射レンズ、 ４０…均一化光学系、 ４１…導光部材、 ４２…ミラー、 ５０…偏光変換装置、 ５１…偏光分離膜、 ５２…反射膜、 ５３…１／２波長板、 ６０…画素色分離部、 ６１…レンズアレイ、 ６１ａ…レンズ要素、 ６２…色分離アレイ、 ６２ａ…色分離素子、 ６３…クロスプリズム、 ６３ｃ…入射面、 ６３ｄ，６３ｅ…側面、 ６４，６５…ミラー板、 ６４ａ，６５ａ…反射面、 ６５…ミラー板、 ７０…光変調部、 ７１…光変調層、 ７５…偏光フィルタ、 ９０…投射レンズ、 ＢＬ…青光、 ＧＬ…緑光、ＧＬ、…緑光、 ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３…色表示素子、 Ｌ１，Ｌ２…光束、 ＬＷ…照明光、 ＯＡ１，ＯＡ２…光軸、 ＰＸ…画素

Claims (5)

1. 照明用の光束を射出する光源と、
   ２次元的に配列された複数のレンズ要素を含み、前記光源からの光束を、各レンズ要素によって分割するレンズアレイと、
   前記複数のレンズ要素のそれぞれに対応して設けられ、前記各レンズ要素からの射出光を、直進する第１色の光と、側方に折り曲げられる第２及び第３色の光とにそれぞれ分離する複数のクロスプリズムと、
   前記複数のクロスプリズムのそれぞれに対応して設けられ、各クロスプリズムの側方に射出された前記第２及び第３色の光を、前記第１色の光の射出方向に沿ってそれぞれ射出させる一対の反射素子をそれぞれ含む複数の反射ユニットと、
   ３つの色表示素子を一組とする複数の画素を含み、各画素において、前記３つの色表示素子が、前記各クロスプリズムを直進する前記第１色の光と、前記各クロスプリズムに対応する各反射ユニットから射出される前記第２及び第３色の光とを個別に変調する透過型の液晶表示部と、
   を備える表示装置。
2. 前記各クロスプリズムの側方と、前記一対の反射素子との間に、空気又は各クロスプリズムに対して屈折率の異なる接着剤を介在させている請求項１記載の表示装置。
3. 前記各クロスプリズムは、直進する第１色の光に対して略４５°傾斜し互いに直交する一対のダイクロイックフィルタを内蔵し、前記各反射ユニットを構成する前記一対の反射素子は、前記一対のダイクロイックフィルタにそれぞれ平行に配置される請求項２記載の表示装置。
4. 記光源からの光束を均一化する均一化光学系と、前記レンズアレイに入射させる光束の偏光方向を揃える偏光変換装置とをさらに備える請求項１から請求項３のいずれか一項記載の表示装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項記載の表示装置と、
   前記液晶表示部で形成された画像を投射する投射レンズと、
   を備えるプロジェクタ。

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