JP2008292683A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 明るさや画品位の低下を抑えることができる映像表示装置を提供する。
【解決手段】 光源１１と、光源１１から出射された光を３原色における第１の原色ＬＧと、第２及び第３の原色ＬＲ，ＬＢとに色分離する色分離手段１４と、色分離手段１４により色分離された第１乃至第３の原色ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの光の光路長を調整する光路長調整手段１５と、光路長調整手段１５から出射された光を光変調する液晶表示素子１９とを備え、光路長調整手段１５は、第１乃至第３の原色ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの光における色分離手段１４から液晶表示素子１９までの光路長を等しくすることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、映像表示装置に関し、特に、光利用効率及びスクリーン品位が向上された映像表示装置に関する。

近年、液晶表示素子を備える映像表示装置は、ＣＲＴ（Cathode ray tube）に置き換わりＰＣ用表示装置のみでなく、ＴＶや携帯機器など様々な機器に用いられている。

この映像表示装置は、備える液晶表示素子の数により、単板式のものと３板式のものとに大別される。単板式の映像表示装置では、カラーフィルタによって光の三原色（ＲＧＢ）を再現する方法と、液晶表示素子内部のマイクロレンズによってＲＧＢを再現する方法とが知られている。カラーフィルタを用いる映像表示装置は、構造的に簡易で低コストに製造することができるが、光損失が大きく、明るくすることができない。その点、マイクロレンズを用いる映像表示装置は、構造的に複雑になり、製造コストがかかるが、光の損失が少なく、明るくすることができ、様々な機器において利用されている。

このマイクロレンズを用いる映像表示装置は、色分離手段により、光の三原色に色分離し、この色分離された光が異なる入射角で液晶表示素子に入射するように設計されている。異なる角度で入射した各色の光は、液晶表示素子内に設けられたマイクロレンズにより各色の画素に振り分け、液晶により各画素を通る光の透過率を制御することでカラー表示を実現している。

上述の色分離手段による色分離の方法としては、特定の色に対応する光を透過するとともに、それ以外は反射する色分離プリズムや複数のダイクロイックミラーを用いることにより行っており、透過光と反射光が異なる光路を辿って、後段の液晶表示素子に到達することから、各光における光路長が異なるという問題が生じていた。そのため、液晶表示素子に入射する光において、照明サイズ、入射光発散角などの入射光特性が各色で同じにならず、その結果、明るさの低下や画品位の悪化が発生してしまう。

具体的には、図４に示すように、単板式の映像表示装置１００は、光源１０１からの光をリフレクタ１０２により液晶表示素子１０３に反射し、反射された光をミラーロッドインテクレータ部１０４により光分布を均一化し、その光を色分離プリズム１０５にて赤色光、緑色光、青色光に分離し、分離された各光をレンズ群１０６により集光し、集光された光を液晶表示素子１０３により光変調し、投写レンズ１０７により拡大し、スクリーンに投影する。色分離プリズム１０５は、図５に示すように、例えば、緑色光を透過し、赤色光を入射方向に対して９０°方向（図中上方向）に反射させ、青色光を入射方向に対して９０°方向（図中下方向）に反射させる。このことからも分かるように、色分離プリズム１０５を用いて色分離を行った場合、入射光を各色に分離することができるが、透過光（緑色光）と反射光（赤色光及び青色光）が異なる光路を辿って、液晶表示素子に到達することになる。そのため、液晶表示素子の画素領域への入射光は、図６に示すように、照明サイズが各色により異なることになり、また、入射光発散角を含めた入射光特性が各色により異なることになり、明るさや画品位に悪影響を与えていた。

また、図７に示すように、３板式の映像表示装置２００は、光を発する光源２０１と、光源２０１からの光の出射側に配置されるレンズアレイ２０２と、レンズアレイ２０２からの出射光の特定の波長域の光を透過するとともに、それ以外の光を反射し色分離する複数のダイクロイックミラーからなるミラー群２０３と、ミラー群２０３により色分離されたそれぞれの光が入射する３つの液晶表示素子２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４Ｂと、各液晶表示素子２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４Ｂにより光変調された光が入射し、後段の投写レンズ２０６に出射する合成プリズム２０５とを備え、投写レンズ２０６からの出射光がスクリーン２０７に投影される。このような構成を有する映像表示装置２００は、単板式の映像表示装置１００と同様に、色分離されたそれぞれの光の液晶表示素子までの光路長が異なり、そのために、各液晶表示素子への入射光の照明サイズ等の入射光特性が異なることになり、明るさや画品位に悪影響を与えていた。そこで、３板式の映像表示装置２００では、この各光の光路長を等しくするために、ミラー群２０３に複数のリレーレンズからなるリレーレンズ群２０８を備えるようにしている。

しかしながら、映像表示装置２００は、複数のダイクロイックミラーからなるミラー群２０３に加えて、リレーレンズ群２０８を備えることから、光学系のサイズが大きくなり、装置全体が大型化するという問題があった。

特開２００３−１３１２３１号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みてなされたものであり、明るさや画品位の低下を抑えることができる映像表示装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る映像表示装置は、光源と、光源から出射された光を三原色における第１の原色と、第２及び第３の原色とに色分離する色分離手段と、色分離手段により色分離された第１乃至第３の原色の光の光路長を調整する光路長調整手段と、光路長調整手段から出射された光を光変調する液晶表示素子とを備える。そして、この光路長調整手段は、第１乃至第３の原色の光における色分離手段から液晶表示素子までの光路長を等しくすることを特徴とする。

本発明によれば、色分離された第１乃至第３の原色の光の光路長を調整する光路長調整手段を備え、この光路長調整手段により、第１乃至第３の原色の光における色分離手段から液晶表示素子までの光路長を等しくすることから、光源から液晶表示素子までの各光の入射特性を等しくすることができ、明るさや画品位の向上を図ることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明に係る映像表示装置１は、図１に示すように、いわゆる単板式の映像表示装置であり、光源１１と、光源１１から発せられた光を反射し、所望とする方向に光を投射するリフレクタ１２と、光源１１からの光が入射され、光分布を均一化するロッドインテグレータ１３と、ロッドインテグレータ１３からの光を色分離する色分離部１４と、色分離部１４からの各光の液晶表示素子１９までの光路長を調整する光路長調整部１５と、光路長調整部１５からの出射光の偏光を変換するＰＳ合成素子１６と、ＰＳ合成素子１６からの出射光を集光するコンデンサレンズ１７及びフィールドレンズ１８と、集光された光が入射される液晶表示素子１９と、液晶表示素子１９からの光を拡大して投写する投写レンズ２０とから構成されている。映像表示装置１は、光路長調整部１５により色分離部１４からの各光の液晶表示素子１９までの光路長が等しくなるように調整され、そのため、各光ごとの照明サイズ等の入射光特性が等しくなり、明るさや画品位の向上を図ることができる。

光源１１は、カラー画像表示に必要とされる、赤色光、青色光および緑色光を含んだ白色光を発する。リフレクタ１２は、光源１１から発せられる光を反射、集光する。光源１１は、発光体として、例えば、超高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のランプが使用される。リフレクタ１２は、集光効率が良い形状であることが望ましく、例えば、回転楕円鏡、回転放物面等の回転対称な凹面形状となっている。また、光源１１としての発光体の発光点は、凹面形状のリフレクタ１２の焦点位置に配置される。

光源１１の発光体から出射された白色光は、リフレクタ１２によって、ロッドインテグレータ１３に向けて投射される光となる。リフレクタ１２からの出射光は、ロッドインテグレータ１３に集光する。

ロッドインテグレータ１３は、リフレクタ１２からの入射光の光分布を均一化し、色分離部１４に出射する。ロッドインテグレータ１３からの出射光は、色分離部１４に入射する。

色分離部１４は、ロッドインテグレータ１３からの入射光を３原色に色分解する色分離プリズム１４ａと、色分離プリズム１４ａにより反射された光を、透過した光と略平行となるように反射する反射プリズム１４Ｒ、１４Ｂとから構成されている。色分離部１４の色分離プリズム１４ａは、ロッドインテグレータ１３からの入射光を３原色に色分解し、例えば、緑色光ＬＧを透過し、その他の赤色光ＬＲ、青色光ＬＢをそれぞれ異なる方向に反射する。反射プリズム１４Ｒは、色分離プリズム１４ａにより反射された赤色光ＬＲが入射され、入射された赤色光ＬＲを緑色光ＬＧと略平行となる方向に反射する。反射プリズム１４Ｂは、色分離プリズム１４ａにより反射された青色光ＬＢが入射され、入射された青色光ＬＢを緑色光ＬＧと略平行となる方向に反射する。

光路長調整部１５は、色分離部１４の反射プリズム１４Ｒ、１４Ｂの後段に反射プリズム１４Ｒ、１４Ｂと一体となるように配設され、色分離部１４により色分離された赤色光ＬＲと青色光ＬＢとが入射される。光路長調整部１５は、色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長を調整する光学部材からなる。光路長調整部１５は、屈折率が空気よりも小さい光学部材からなり、赤色光ＬＲ及び青色光ＬＢの光路長を短縮し、各光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢの色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長が等しくなる、すなわち、赤色光ＬＲ及び青色光ＬＢの光路長を短縮し、最短の光路長である緑色光ＬＧと等しくなるように調整されている。

なお、各光の色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長（空気長換算）は、（空気中の光路長の総和）＋（光学部材中の光路長の総和）÷（光学部材の屈折率）により算出することができる。具体的には、色分離部１４により反射された光である赤色光ＬＲの色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長ｌ_Ｒは、赤色光ＬＲが通過する光路長調整部１５の光学部材中の光路長をｌ_Ｒａ、この光学部材の屈折率をｎ_Ｒａ、この光学部材以外を通過する空気中の光路長をｌ_Ｒａｉｒとすると、下記式１により算出される。

ｌ_Ｒ＝ｌ_Ｒａｉｒ＋ｌ_Ｒａ／ｎ_Ｒａ （式１）
また、同様に、色分離部１４により反射された光である青色光ＬＢの色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長ｌ_Ｂは、青色光ＬＢが通過する光路長調整部１５の光学部材中の光路長をｌ_Ｂａ、この光学部材の屈折率をｎ_Ｂａ、この光学部材以外を通過する空気中の光路長をｌ_Ｂａｉｒとすると、下記式２により算出される。

ｌ_Ｂ＝ｌ_Ｂａｉｒ＋ｌ_Ｂａ／ｎ_Ｂａ （式２）
さらに、色分離部１４により透過された光である緑色光ＬＧの色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長ｌ_Ｇは、緑色光ＬＧが通過する光路長調整部１５の光学部材中の光路長をｌ_Ｇａ、この光学部材の屈折率をｎ_Ｇａ、この光学部材以外を通過する空気中の光路長をｌ_Ｇａｉｒとすると、下記式３により算出される。

ｌ_Ｇ＝ｌ_Ｇａｉｒ＋ｌ_Ｇａ／ｎ_Ｇａ （式３）
なお、本説明においては、色分離部１４により反射された光の光路長を、色分離部１４により透過された光の光路長と等しくなるように調整することから、緑色光ＬＧの光路上には、光路長調整部１５の光学部材が配設されておらず、ｌ_Ｇ＝ｌ_Ｇａｉｒの関係が成り立つ。

このように、光路長調整部１５は、式１〜式３により算出される各光における色分離部１４から液晶表示素子１９までの光路長が等しくなることから、ｌ_Ｒ＝ｌ_Ｇ＝ｌ_Ｂの関係が成り立つ。

ＰＳ合成素子１６は、色分離部１４及び光路長調整部１５からの出射光が入射される。ＰＳ合成素子１６は、入射した光をＰ偏光成分及びＳ偏光成分の偏光に分離する。また、ＰＳ合成素子１６は、分離した２つの偏光のうち、一方の偏光を、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったまま偏光変換素子から出射し、他方の偏光（例えばＳ偏光成分）を、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換して出射する。

ＰＳ合成素子１６から出射した光は、コンデンサレンズ１７によって集光され、フィールドレンズ１８を介して液晶表示素子１９に入射される。

コンデンサレンズ１７及びフィールドレンズ１８は、ＰＳ合成素子１６からの出射光が入射される。このコンデンサレンズ１７及びフィールドレンズ１８は、ロッドインテグレータ１３の出射光が出射される出射面と液晶表示素子１９とが共役の関係となるように調整され、そのため、液晶表示素子１９において各色の光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢが重畳されて結像する。また、フィールドレンズ１８は、液晶表示素子１９において入射光の角度分布が均一であるテレセントリック照明となるようにする働きもする。

液晶表示素子１９は、いわゆる透過型の液晶表示素子であり、対向配置される一対の電極と、その間に封止される液晶からなる液晶層とを有し、この電極に電圧を印加することにより、液晶層を光変調層として機能させる。一対の電極は、例えば、石英、ガラス、プラスチック等の透光性材料により形成されている。一対の電極は、透明導電膜により形成された略矩形の画素電極がマトリクス状に複数配列形成されている。液晶層に封止された液晶は、電極に印加される電圧レベルにより分子集合の配向や秩序が変化することにより、光を変調し、階調表示を可能とする。

液晶表示素子１９から光変調された光は、後段の投写レンズ２０に入射される。投写レンズ２０は、例えば、複数のレンズからなり、スクリーンに投写する画像の大きさを調整するズーム機能や、ピント合わせ機能を有する。

このような構成を有する映像表示装置１は、光路長調整部１５により、色分離部１４において色分離された各光の液晶表示素子１９までの光路長が等しくなるように調整されることから、液晶表示素子１９へ入射される各光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢの照明サイズや発散角を同じにすることができ、すなわち、液晶表示素子１９への入射光の入射特性が等しくなり、明るさや画品位（照明効率、ホワイトバランス、色ムラ等）の向上を図ることができる。

なお、映像表示装置１は、上述の他に、例えば、光源１１と液晶表示素子１９との間に、図示しないＵＶ（Ultra Violet）／ＩＲ（Infrared）カットフィルタを設置してもよい。

次に、本発明の他の実施の形態として示す映像表示装置３０について、図２を用いて説明をする。

映像表示装置３０は、図２に示すように、いわゆる３板式の映像表示装置であり、光源１１と、光源１１から発せられた光を反射し、所望とする方向に光を投射するリフレクタ１２と、光源１１からの光が入射され、光分布を均一化するロッドインテグレータ１３と、入射する光を偏光するＰＳ合成素子１６と、コンデンサレンズ１７と、入射光を色分離する色分離部１４と、色分離部１４からの各光の液晶表示素子１９までの光路長を調整する光路長調整部１５と、色分離部１４により色分離された各光が入射される３つの液晶表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂと、各液晶表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂからの出射光が入射され、各光を合成する合成プリズム３１と、合成プリズム３１からの出射光を拡大して投写する投写レンズ２０とから構成されている。また、映像表示装置３０は、色分離部１４により反射され、光路長調整部１５を通過した赤色光ＬＲの光軸を９０°曲げ、液晶表示素子１９Ｒへ入射させる全反射ミラー３２と、色分離部１４により反射され、光路長調整部１５を通過した青色光ＬＢの光軸を９０°曲げ、液晶表示素子１９Ｂへ入射させる全反射ミラー３３とを備える。

合成プリズム３１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢがそれぞれ入射する入射面３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂ及び赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢが合成された光が出射する出射面３１Ｔを各々有する４つの直角プリズムを接合して構成されている。合成プリズム３１は、入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢを合成して出射面３１Ｔから投写レンズ２０に出射する。

このような構成を有する映像表示装置３０は、映像表示装置１と同様に、光路長調整部１５により、色分離部１４において色分離された各光の液晶表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂまでの光路長が等しくなるように調整されることから、液晶表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂへ入射される各光ＬＲ、ＬＧ、ＬＢの照明サイズや発散角を同じにすることができ、すなわち、液晶表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂへの入射光の入射特性が等しくなり、明るさや画品位（照明効率、ホワイトバランス、色ムラ等）の向上を図ることができる。また、映像表示装置３０では、光路長調整部１５が色分離部１４と一体となるように形成されていることから、装置全体としての光学系のサイズが大きくならず、簡易な構成で小型化を図ることができる。

なお、映像表示装置１、３０の光路長調整部１５は、色分離部１４と一体となるように形成されることに限らず、色分離部１４の後段で、液晶表示素子１９までの光路上であれば、いかなる位置に配設するようにしてもよい。

具体的には、光路長調整部１５は、図３（Ａ）に示すように、色分離部１４と別体として構成するようにしてもよい。このように構成される光路長調整部１５では、色分離部１４とは、異なる材料からなる光学部材を用いて形成することができ、当該光路長調整部１５を構成する光学部材の屈折率や、映像表示装置全体における配置スペースを考慮することができる。

また、本発明に係る映像表示装置は、色分離部１４を色分離プリズム１４ａと反射プリズム１４Ｒ、１４Ｂとから構成されることに限らず、図３（Ｂ）に示すように、複数のダイクロイックミラー４１と全反射ミラー４２とを組み合わせたものや、図３（Ｃ）に示すように、色分離プリズム４３と全反射ミラー４２とを組み合わせたものから構成されるようにしてもよい。この場合、光路長調整部１５は、上述の式１〜式３の算出式により各光の液晶表示素子１９までの光路長を調整する、すなわち、反射光（赤色光ＬＲ、青色光ＬＢ）の光路長を短縮して、透過光（緑色光ＬＧ）の光路長と等しくなるように調整する。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、映像表示装置１においては、光源１１から投写レンズ２０までの各部材が同軸上に配置されることについて述べたが、これに限らず、光路上に配設されるミラー等により光の光路を所定の方向に変えるようにしてもよい。

本発明を適用した単板式の映像表示装置の構成を示した図である。 本発明を適用した３板式の映像表示装置の構成を示した図である。 色分離部と光路長調整部の他の組み合わせを示した模式図である。 従来の単板式の映像表示装置の構成を示した図である。 従来の色分離部の構成を示した図である。 従来の映像表示装置における液晶表示素子に投射される各光の照明サイズを示した図である。 従来の３板式の映像表示装置の構成を示した図である。

符号の説明

１、３０、１００ 映像表示装置、１１、１０１ 光源、１２、１０２ リフレクタ、１３ ロッドインテグレータ、１４ 色分離部、１４Ｒ、１４Ｂ 反射プリズム、１４ａ 色分離プリズム、１５ 光路長調整部、１６ ＰＳ合成素子、１７ コンデンサレンズ、１８ フィールドレンズ、１９、１０３ 液晶表示素子、２０、１０７ 投写レンズ、３１ 合成プリズム、３１Ｒ、３１Ｂ 入射面、３１Ｔ 出射面、３２、３３、４２ 全反射ミラー、４１ ダイクロイックミラー、４３ 色分離プリズム、１０４ ミラーロッドインテクレータ部、１０５ 色分離プリズム、１０６ レンズ群

Claims (4)

1. 光源と、
   上記光源から出射された光を三原色における第１の原色と、第２及び第３の原色とに色分離する色分離手段と、
   上記色分離手段により色分離された上記第１乃至第３の原色の光の光路長を調整する光路長調整手段と、
   上記光路長調整手段から出射された光を光変調する液晶表示素子とを備え、
   上記光路長調整手段は、上記第１乃至第３の原色の光における上記色分離手段から上記液晶表示素子までの光路長を等しくすること
   を特徴とする映像表示装置。
2. 上記色分離手段は、上記第１の原色の光を透過し、上記第２及び第３の原色の光を反射するダイクロイックプリズムからなり、
   上記光路長調整手段は、上記ダイクロイックプリズムに反射された第２及び第３の原色の光路上に設けられ、それぞれの光の上記液晶表示素子までの光路長を、上記ダイクロイックプリズムを透過した第１の原色の光と等しくする光学部材からなることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
3. 上記第１の原色の光は、上記色分離手段から上記液晶表示素子までの光路長が最短であり、
   上記光路長調整手段は、上記第２及び第３の原色の光路長を短縮し、上記第１の原色の光路長と等しくすることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
4. 上記色分離手段から出射される各光の上記液晶表示素子までの光路長は、
   上記第１の原色における当該光路長をｌ_１とし、
   上記第２の原色における当該光路長をｌ_２とし、上記光学部材中の光路長をｌ_２ａ、該光学部材の屈折率をｎ_２ａ、該光学部材以外を通過する空気中の光路長をｌ_２ａｉｒとし、
   上記第３の原色における当該光路長をｌ_３とし、上記光学部材中の光路長をｌ_３ａ、該光学部材の屈折率をｎ_３ａ、該光学部材以外を通過する空気中の光路長をｌ_３ａｉｒとすると、
   ｌ_２＝ｌ_２ａｉｒ＋ｌ_２ａ／ｎ_２ａ
   ｌ_３＝ｌ_３ａｉｒ＋ｌ_３ａ／ｎ_３ａ
   ｌ_１＝ｌ_２＝ｌ_３
   を満たすことを特徴とする請求項２記載の映像表示装置。

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