JP2009198786A - 画像表示装置およびプロジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】画像の明るさやコントラスト等の表示性能を充分に高められるとともに、装置の小型化やコスト低減が図れる画像表示装置を提供する
【解決手段】本発明の画像表示装置1は、光源2と、第1光変調素子5と、複数の色光を変調する複数の第2光変調素子10と、第1光変調素子10からの光を複数の色光に分離する色分離部と複数の第2光変調素子10からの複数の色光を合成する色合成部とを有する色分離・合成素子7と、色分離・合成素子7から出射された各色光を複数の第2光変調素子に伝達する複数の光伝達手段8,9と、第1光変調素子5と色分離・合成素子7との間の光路上に設けられ、特定波長域の色光に位相差を付与する波長選択位相差素子とを備え、色分離・合成素子7がクロスダイクロイックプリズムであり、複数の第2光変調素子10がクロスダイクロイックプリズムの異なる面に対向配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、画像表示装置およびプロジェクタに関し、特に第1光変調素子、第2光変調素子の2段の光変調素子を備えた画像表示装置に関するものである。
近年、LCD(Liquid Crystal Display)、EL(Electro-Luminescence)ディスプレイ、プラズマディスプレイ、CRT(Cathode Ray Tube)、プロジェクタ等の電子ディスプレイ装置における画質改善は目覚ましく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかしながら、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は1〜10[nit]程度の範囲であり、また階調数は8ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が10−2〜10[nit]程度あり、また輝度弁別能力は0.2[nit]でこれを階調数に換算すると12ビット相当といわれている。このような視覚特性を経由して現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、視聴者は表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。
また、映画やゲーム等で使用されるCG(Computer Graphics)では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を表示データ(以下、HDR(High Dynamic Range)表示データという)に持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。ところが、それを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているため、CGコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。
さらに、次期OS(Operating System)においては、16ビット色空間の採用が予定されており、現在の8ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、16ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ、高階調の電子ディスプレイ装置の実現への要求が高まると予想される。
ディスプレイ装置の中でも、液晶プロジェクタや、DLP(Digital Light Processing、商標)プロジェクタといった投射型表示装置(プロジェクタ)は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティや迫力を再現する上で効果的なディスプレイ装置である。この分野では上記の課題を解決するために、以下に述べる提案がなされている。
プロジェクタにおける輝度ダイナミックレンジ拡大のための基本的な構成は、光源からの出射光束を第1光変調素子で変調して所望の照明光量分布を形成し、この照明光量分布を第2光変調素子上に伝達し、第2光変調素子によってさらに変調を加えた上で照明するというものである。光変調素子としては、光伝搬特性が独立に制御可能な画素構造やセグメント構造を有し、二次元的な透過率分布を制御し得る透過型光変調素子が用いられている。その代表的な例としては、液晶ライトバルブがあげられる。また、透過型光変調素子に代えて、反射型光変調素子を用いてもよく、その代表例としては、DMD(Digital Micromirror Device)素子が挙げられる。
いま、暗表示の透過率が0.2%、明表示の透過率が60%の光変調素子を使用する場合を考える。従来の投射型表示装置はこの光変調素子を単体で使用する構成であり、輝度ダイナミックレンジは60/0.2=300となる。これに対して、上記のディスプレイ装置は、各々が300の輝度ダイナミックレンジを有する2段の光変調素子を光学的に直列に配置することに相当するため、理論上は300×300=90000の輝度ダイナミックレンジを実現することができる。また、階調数についてもこれと同等の考えが成り立ち、8ビット階調の光変調素子を光学的に直列に配置することによって8ビットを超える階調数を得ることができる。なお、第1光変調素子および第2光変調素子は、映像信号から作られた第1変調信号、第2変調信号によってそれぞれ別個に駆動される。
ところで、第1光変調素子として1枚の液晶ライトバルブを配置し、その像を第1光変調素子と第2光変調素子との間に配置したリレーレンズによって複数の第2光変調素子(液晶ライトバルブ)の入射面に伝達する構成が、下記の特許文献1,2に開示されている。また、特許文献1では、第1光変調素子で変調された光を異なる色の複数の色光に分離する光分離手段と、複数の第2光変調素子で変調された光を合成する光合成手段とを、一体化したクロスダイクロイックプリズムで実現する構成が開示されている。この構成では、一つのクロスダイクロイックプリズムが光分離手段と光合成手段を兼ねるため、装置全体の小型化を図ることができる。
特開2005−227695号公報 特開2005−227477号公報
ところが、特許文献1の構成では、光分離手段および光合成手段として用いられるクロスダイクロイックプリズムの偏光特性と液晶ライトバルブの偏光特性との関係が考慮されておらず、そのままでは表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を充分に高めることができない、という課題があった。また、特許文献2も特許文献1と同様の構成を開示しているが、白色光の色分離光学系の構成が複雑であり、装置のサイズが増大する、コストアップが生じる、等の課題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を充分に高められるとともに、装置の小型化やコスト低減が図れ、輝度ダイナミックレンジ拡大と階調数増大を実現できる画像表示装置およびプロジェクタを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、光源と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記光源から出射された光を変調する第1光変調素子と、光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、各々の光変調素子が前記第1光変調素子から出射された各色光を変調する液晶ライトバルブからなる複数の第2光変調素子と、前記第1光変調素子によって変調された光を異なる波長域の複数の色光に分離する色分離部と前記複数の第2光変調素子によって変調された複数の色光を合成する色合成部とを有する色分離・合成素子と、各々の光伝達手段が前記色分離・合成素子の前記色分離部から出射された複数の色光のいずれか一つを前記複数の第2光変調素子のいずれか一つに伝達する複数の光伝達手段と、前記第1光変調素子と前記色分離・合成素子の前記色分離部との間の光路上に設けられ、前記異なる波長域の複数の色光のうちの特定波長域の色光に位相差を付与する波長選択位相差素子と、を備え、前記色分離・合成素子がクロスダイクロイックプリズムであり、前記複数の第2光変調素子が前記クロスダイクロイックプリズムの異なる面に対向配置されたことを特徴とする。
クロスダイクロイックプリズムの偏光特性は目的に応じて最適設計されるものであるが、効率面を考慮して、ダイクロイック膜に対してS偏光を反射させ、P偏光を透過させる形態で用いるのが一般的である。本発明の場合、複数の第2光変調素子がクロスダイクロイックプリズムの異なる面に対向配置されているため、各色光がその波長域によってダイクロイック膜を透過するか、もしくは反射する。
ところで、本発明のクロスダイクロイックプリズムの一部は色分離部として機能することから、第1光変調素子によって変調されたS偏光、P偏光のいずれか一方の光がクロスダイクロイックプリズムに入射し、分離される。このとき、第1光変調素子とクロスダイクロイックプリズムとの間の光路上に特定波長域の色光に位相差を付与する波長選択位相差素子が設けられているため、特定波長域の色光の偏光方向のみを選択的に変化させることができ、クロスダイクロイックプリズム内でS偏光を反射させ、P偏光を透過させる形態に合わせることができる。このようにして、本発明の画像表示装置は、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を充分に高めることができる。
また、本発明の構成によれば、クロスダイクロイックプリズムが色分離部と色合成部とを兼ねるため、色分離用の光学素子と色合成用の光学素子とを別個に備える必要がない。これにより、装置の小型化やコスト低減を図ることができる。
本発明において、前記第1光変調素子が反射型液晶ライトバルブで構成され、前記反射型液晶ライトバルブにおいて、前記光源と反射型液晶パネルとの間の光路上に偏光ビームスプリッタが設けられ、前記光源からの光が前記偏光ビームスプリッタを経て前記反射型液晶パネルに入射し、前記反射型液晶パネルによって変調された光が前記偏光ビームスプリッタを経て出射される構成を採用することもできる。この場合、反射型液晶パネルと偏光ビームスプリッタとで反射型液晶ライトバルブが構成される。
この構成によれば、光源からの光が最初に入射される第1光変調素子が反射型液晶ライトバルブで構成されているため、第1光変調素子に熱が貯まりにくく、耐熱性に優れた画像表示装置を実現することができる。
本発明において、前記複数の色光が、赤色光、緑色光、青色光である場合、前記波長選択位相差素子が前記赤色光、緑色光、青色光のうちの少なくとも一つの色光に対応する波長域の光に対して1/2波長の位相差を付与することにより前記波長域の光が前記色分離・合成素子にとってのP偏光で前記色分離部に入射され、残りの色光に対応する波長域の光が前記色分離・合成素子にとってのS偏光で前記色分離部に入射されることが望ましい。
この構成によれば、クロスダイクロイックプリズムのダイクロイック膜において、赤色光、青色光についてはS偏光で反射させ、緑色光についてはP偏光で透過させる構成が実現できるため、明るさ・色再現性の点で最も有利である。
なお、「P偏光」は、反射面に入射する光の電気ベクトルの振動方向が入射面(反射面の法線と入射光束の主光線を含む面)内に含まれる直線偏光、「S偏光」は、反射面に入射する光の電気ベクトルの振動方向が入射面(反射面の法線と入射光束の主光線を含む面)に垂直な直線偏光、と定義される。したがって、同じ偏光であっても入射する反射面(光が入射される対象)が変われば、「P偏光」と呼ぶのか、「S偏光」と呼ぶのかが変わってくる。本発明においては、「P偏光」、「S偏光」という用語を用いる際に、光の入射対象が変わる可能性があり、それを明確にする必要がある。先に「前記色分離・合成素子にとってのP偏光(S偏光)」という表現を用いたのはそのためである。
本明細書では、明細書全体を通して、特に記載がないときには「色分離・合成素子(色分離合成プリズム)にとってのP偏光(S偏光)」を意味するものとするが、説明をわかりやすくするため、一部の記載箇所においては、例えば「誘電体多層膜ミラーにとってのP偏光(S偏光)」、「偏光ビームスプリッタにとってのP偏光(S偏光)」というように記載して説明する。また、色分離・合成素子(色分離合成プリズム)にとっての偏光は、色分離・合成素子(色分離合成プリズム)の色分離合成面を反射面としたときの偏光、誘電体多層膜ミラーにとっての偏光は、誘電体多層膜ミラーの反射面を反射面としたときの偏光、偏光ビームスプリッタにとっての偏光は、偏光ビームスプリッタの偏光分離面を反射面としたときの偏光、をそれぞれ意味する。
本発明において、前記第2光変調素子が透過型液晶ライトバルブで構成され、前記透過型液晶ライトバルブの入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが互いに直交している場合、前記色分離部と前記透過型液晶ライトバルブとの間の光路上に1/2波長板が設けられることが望ましい。
第2光変調素子が透過型液晶ライトバルブで構成され、透過型液晶ライトバルブの入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが互いに直交している場合、透過型液晶ライトバルブへの入射光がS偏光であれば透過型液晶ライトバルブからの出射光はP偏光となり、入射光がP偏光であれば出射光はS偏光となる。すなわち、色分離・合成素子であるクロスダイクロイックプリズムからの出射光がS偏光であれば(第2光変調素子で変調された後のクロスダイクロイックプリズムへの)再入射光はP偏光となり、出射光がP偏光であれば再入射光はS偏光となる。すると、色分離時、色合成時のいずれか一方は、クロスダイクロイックプリズムの効率が最も良好なS偏光反射、P偏光透過の形に合致しないことになる。これに対して、色分離部と透過型液晶ライトバルブとの間の光路上に1/2波長板が設けられた場合、色分離時、色合成時の双方とも、クロスダイクロイックプリズムの効率が最も良好なS偏光反射、P偏光透過の形に合わせることができる。
本発明において、前記透過型液晶ライトバルブが、ツイストネマティック液晶配向モードでノーマリーホワイトモードで駆動されることが望ましい。
この構成によれば、明るい表示が可能な画像表示装置を実現することができる。
本発明において、前記光伝達手段が誘電体多層膜ミラーで構成された場合、前記1/2波長板が前記色分離部と前記誘電体多層膜ミラーとの間の光路上に設けられ、前記1/2波長板によって誘電体多層膜ミラーにとってのP偏光がS偏光に変換されることが望ましい。
誘電体多層膜ミラーでの反射率には偏光依存性があるが、この構成によれば、誘電体多層膜ミラーでの反射率を高めることができるため、より明るい画像を得ることができる。
本発明において、前記第2光変調素子が透過型液晶ライトバルブで構成され、前記透過型液晶ライトバルブの入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが互いに平行である構成としても良い。
この構成によれば、クロスダイクロイックプリズムからの出射光がS偏光であれば(第2光変調素子で変調された後のクロスダイクロイックプリズムへの)再入射光もS偏光となり、出射光がP偏光であれば再入射光もP偏光となる。そのため、1/2波長を用いることなく、色分離時、色合成時の双方とも、クロスダイクロイックプリズムの効率が最も良好なS偏光反射、P偏光透過の形に合わせることができる。
本発明において、前記透過型液晶ライトバルブが、ツイストネマティック液晶配向モードでノーマリーブラックモードで駆動されることが望ましい。
この構成によれば、コントラストに優れた表示が可能な画像表示装置を実現することができる。
本発明において、前記光伝達手段が誘電体多層膜ミラーで構成され、前記誘電体多層膜ミラーに入射する、前記誘電体多層膜ミラーにとってのP偏光をS偏光に変換するように、第1の1/2波長板が前記色分離部と前記誘電体多層膜ミラーとの間の光路上に設けられ、前記誘電体多層膜ミラーから出射する、前記誘電体多層膜ミラーにとってのS偏光をP偏光に変換するように、第2の1/2波長板が前記誘電体多層膜ミラーと前記透過型液晶ライトバルブとの間の光路上に設けられることが望ましい。
この構成によれば、誘電体多層膜ミラーでの反射率を高めることができるため、より明るい画像を得ることができる。
本発明のプロジェクタは、上記本発明の画像表示装置と、前記第2光変調素子により形成される画像を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能が充分に高く、装置の小型化やコスト低減が図れ、輝度ダイナミックレンジ拡大と階調数増大を実現可能なプロジェクタを提供することができる。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態を図1〜図7を参照しつつ説明する。
本実施形態の画像表示装置は、第1光変調素子、第2光変調素子の双方に液晶ライトバルブを採用した2変調方式の投射型画像表示装置(プロジェクタ)の例である。
また、本実施形態は、前段の第1光変調素子を輝度変調用の反射型液晶ライトバルブ、後段の第2光変調素子を色変調用の3枚の透過型液晶ライトバルブとした例である。
図1は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図(斜視図)である。図2は、同平面図である。図3は、同側面図である。図4は、同背面図である。図5は、本実施形態の投射型画像表示装置で用いる波長選択位相差板の作用を説明するための図である。図6は、透過型液晶ライトバルブの明表示状態における偏光状態の説明図である。図7は、ノーマリーホワイトモードで駆動する場合の光学構成の説明図である。
なお、以下の各図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素毎に寸法や位置関係の縮尺を異ならせることもある。
本実施形態の投射型表示装置1は、図1〜4に示すように、光源2と、光源2から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明光学系3と、均一照明光学系3から偏光ビームスプリッタ4(Polarized Beam Splitter,以下、PBSと略記する)を透過して入射した光の全波長領域(少なくともR,G,Bの3原色光を含む領域)の輝度を変調する輝度変調用の反射型液晶パネル5と、反射型液晶パネル5からPBS4で反射された光をリレーするリレーレンズ6と、全波長領域の光をR,G,Bの3原色光に分離、ないしはR,G,Bの3原色光を合成する色分離合成プリズム7と、リレーレンズ6から出射し、色分離合成プリズム7、ミラー8,9を経て入射した光の波長領域のうちR,G,Bの3原色光の輝度をそれぞれ変調する3組の透過型液晶ライトバルブ10R,10G,10Bと、各透過型液晶ライトバルブから出射し、色分離合成プリズム7で合成されて入射した光をスクリーン(不図示)に投射する投射レンズ11とで概略構成されている。また、PBS4と反射型液晶パネル5とによって反射型液晶ライトバルブが構成される。
光源2は、高圧水銀ランプ等のランプと、ランプからの出射光を反射するリフレクタとから構成されている。光源2から出射した光束は、第1フライアイレンズ、第2フライアイレンズ、偏光変換素子、集光レンズが順次設置された均一照明光学系3に入射する。第1、第2フライアイレンズおよび集光レンズは、反射型液晶パネル5上で光束断面における光強度分布を均一化する機能を有する。また、偏光変換素子は、例えばPBSアレイと1/2波長板などから構成されており、光源2から出射された不定偏光状態の光束を後段の光学系で利用可能な、振動方向が一方向に揃った直線偏光に変換する。均一照明光学系3を出射した光束は、均一照明光学系3の内部の偏光変換素子によってP偏光に変換されている。
なお、図面の簡略化のために、図1では均一照明光学系を1つの部品であるかのように簡略化して描き、図3、図4では省略している。
図2に示すように、均一照明光学系3を出射した光束はPBS4に入射し、P偏光成分はPBS膜4aを透過して反射型液晶パネル5(第1光変調素子)に入射する。反射型液晶パネル5は、入射した光の全波長領域の輝度を映像信号に対応して変調して出射させる。具体的には、反射型液晶パネル5に入射したP偏光は映像信号に応じて位相変調され、反射されて再びPBS4に入射した光束のうち、S偏光成分がPBS膜4aで反射されてリレーレンズ6に向けて出射する。リレーレンズ6は、輝度変調用の反射型液晶パネル5の光学像を各色変調用の透過型液晶ライトバルブ10R,10G,10Bの透過型液晶パネルの画素面に結像する機能を有している。
図3、図4に示すように、リレーレンズ6から出射した光束は色分離合成プリズム7(色分離・合成素子)の下部に位置する色分離部7aに入射する。色分離合成プリズム7は、4つの直角プリズムを貼り合わせてなり、その内部には、赤色光を反射する誘電体多層膜および青色光を反射する誘電体多層膜が断面(図におけるy方向から見た断面)X字状に形成されたプリズム、いわゆるクロスダイクロイックプリズムである。これら誘電体多層膜によって入射した白色光はR,G,Bの3原色光に分離され、色分離合成プリズム7から出射する。
色分離合成プリズム7から出射したR,G,Bの各色光束は、下段ミラー8(光伝達手段)で上方(+y方向)にはね上げられ、次に入射する上段ミラー9(光伝達手段)で反射されて、色分離合成プリズム7の上部に位置する色合成部7bの光入射面に対向配置された3枚の透過型液晶ライトバルブ10R,10G,10B(第2光変調素子)に入射する。したがって、下段ミラー8、上段ミラー9からなる一対のミラーが、色分離合成プリズム7の色分離部7aから出射した各色光を各透過型液晶ライトバルブ10に伝達する光伝達手段として機能する。
また、本実施形態における色分離合成プリズム7を構成するクロスダイクロイックプリズムは、上部も下部も同一の構成であり、何も変わらないが、下部は入射した白色光をR,G,Bの3原色光に分離して3方向に出射させる色分離部7aとして機能し、上部は3方向から入射したR,G,Bの3原色光を合成して出射させる色合成部7bとして機能する。なお、以下の文章において、必要に応じて3枚の透過型液晶ライトバルブ10R,10G,10Bを一括して色変調ライトバルブ10と称することもある。
透過型液晶ライトバルブ10R,10G,10B(第2光変調素子)は、画素電極およびこれを駆動するための薄膜トランジスタ素子、薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にツイストネマティック(TN)型液晶を挟み込むとともに、両方の外面に偏光板を配置したアクティブマトリックス型の液晶表示素子である。透過型液晶ライトバルブ10R,10G,10Bは、電圧非印加状態で白/明(透過)状態、電圧印加状態で黒/暗(非透過)状態となるノーマリーホワイトモード、またはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、与えられた制御値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。
色変調ライトバルブ10に入射した各色光束は映像信号に対応して変調(第2の変調)を受け、再び色分離合成プリズム7に入射して合成される。引き続き、合成光束はリレーレンズ6の上方に位置する投射レンズ11(投射光学系)に入射し、投射レンズ11によって図示しないスクリーンに投影される。
[色分離合成プリズムの偏光特性と透過型液晶ライトバルブの駆動モード]
色分離合成プリズム7の偏光特性は目的に応じて最適設計されるものであるが、投射型表示装置においては、明るさ・色再現特性を良好にする目的で、R,B光束をS偏光反射させ、G光束をP偏光透過させるタイプが広く用いられており、本投射型表示装置のクロスダイクロイックプリズムもこのタイプの使用を前提としている。
図5は、色分離合成プリズム7の色分離作用の説明図である。図の上方にある図示しないリレーレンズ6から出射した光束は、S偏光光束となっている。これは、PBS4からの出射光束がS反射光であるためである。リレーレンズ6と色分離合成プリズム7の入射面との間には波長選択位相差板13(波長選択位相差素子)が配置されている。この波長選択位相差板13はG帯域光束にのみλ/2(λ:光の波長)の位相差を付加するものであり、これを透過したG光束はS偏光光束がP偏光光束に変換される。一方、R,B光束には偏光状態の変化はほとんど生じず、S偏光光束のままである。この種の波長選択位相差板13の具体例として、カラーリンク社のカラーセレクト等があげられる。
色分離合成プリズム7に入射した各色光束のうち、R光束はR反射面で反射され、B光束はB反射面で反射され、G光束はいずれの反射面でも反射されずに透過し、各色光束が色分離合成プリズム7の3つの出射面から出射して分離される。このとき、R,B光束がS偏光ではなくP偏光であったり、G光束がP偏光ではなくS偏光であると、各光束の明るさが大幅に低下したり、分離の波長帯域がシフトして各色光束の色純度が低下する、といった画質劣化が生じる。しかしながら、本実施形態の場合、色分離合成プリズム7の前段に波長選択位相差板13が設けられたことによって、G光束はP偏光光束、R,B光束はS偏光光束で色分離合成プリズム7に入射するので、上記の不具合を低減することができる。
なお、上記の内容は色分離作用について説明したものであるが、光の進行方向を逆にした色合成についても全く同様な議論が成り立つ。したがって、色変調ライトバルブ10で第2の変調を受けた各色光束が再び色分離合成プリズム7に入射して色合成がなされる際も、G光束はP偏光、R,B光束はS偏光で入射することが必要である。
図6は、透過型液晶ライトバルブ10の明表示状態における偏光状態の説明図である。図6における符号14は入射側偏光板、符号10aは透過型液晶パネル、符号15は出射側偏光板、である。これら入射側偏光板14、透過型液晶パネル10a、出射側偏光板15が透過型液晶ライトバルブ10を構成する。なお、透過型液晶パネル10aの液晶はTN液晶を用いた場合を前提としている。
透過型液晶ライトバルブ10をノーマリーホワイトモードで駆動した場合は、入射偏光と出射偏光は偏光方向が互いに直交する関係となる。ノーマリーホワイトモードで駆動する場合は、明表示の透過率が高く、明るい画像が得られるという特徴がある。一方、透過型液晶ライトバルブ10をノーマリーブラックモードで駆動した場合は、入射偏光と出射偏光は偏光方向が互いに平行な関係となる。ノーマリーブラックモードで駆動する場合は、暗表示の透過率が低く、コントラストの高い画像が得られるという特徴がある。
前述したように、本発明においては、透過型液晶ライトバルブ10を出射して色分離合成プリズム7に再入射する光束の偏光状態は、色分離後に色分離合成プリズム7から出射した時点の偏光状態と同一でなければならない。そのため、透過型液晶ライトバルブ10の駆動モードによって光学構成を変えなければならない。その光学構成について、以下、説明する。
[TN−ノーマリーホワイトモードの場合]
図7はノーマリーホワイトモードで駆動する場合の光学構成の説明図である。なお、図7はG光の光路についてのみ記してあるが、R光、B光の光路についても同様の構成となる。
色分離合成プリズム7をP偏光で透過したG光束は、上下2枚の下段ミラー8G、上段ミラー9Gで順次反射されて透過型液晶ライトバルブ10Gに入射する。
ノーマリーホワイトモードの明表示では、入射偏光と出射偏光は偏光方向が互いに直交する関係となるので、透過型液晶ライトバルブ10Gに入射する偏光がP偏光の場合、透過型液晶ライトバルブ10Gを透過して色分離合成プリズム7に再入射する偏光はS偏光となってしまい、光束の明るさが低下したり、色純度が低下するという問題が生じる。そこで、色分離合成プリズム7に再入射する偏光をP偏光とするために、本構成では、透過型ライトバルブ10Gの手前にλ/2板17(1/2波長板)を挿入して、透過型ライトバルブ10Gへの入射偏光をP偏光からS偏光に変換する。
なお、λ/2板17の挿入位置としては、色分離合成プリズム7の出射面から透過型液晶ライトバルブ10Gの入射面までの間であればどこでもかまわない。しかしながら、下段ミラー8G、上段ミラー9Gの反射率を高める目的でこれらのミラーに誘電体多層膜ミラーを採用する場合は、反射率に偏光依存性があることから、注意が必要である。誘電体多層膜ミラーにおいては、反射率、反射帯域ともS偏光の反射特性がP偏光の反射特性に勝る。したがって、図7に示したように、下段ミラー8G、上段ミラー9GではミラーにとってのS偏光で反射させ、透過型液晶ライトバルブ10Gの手前でλ/2板17に入射させて、ミラーにとってのP偏光に変換することが望ましい。すなわち、上段ミラー9Gと色分離合成プリズム7の色合成部7bとの間の光路上にλ/2板17を挿入することが望ましい。
なお、図7に示した「P偏光」、「S偏光」は、色分離合成プリズム7にとっての「P偏光」、「S偏光」である。色分離合成プリズム7の反射面と下段ミラー8、上段ミラー9の反射面とは直交した位置関係にあり、色分離合成プリズム7にとっての「P偏光」は(下段、上段)ミラー8,9にとっての「S偏光」、色分離合成プリズム7にとっての「S偏光」は(下段、上段)ミラー8,9にとっての「P偏光」、と名称が逆転することに注意が必要である。
[TN−ノーマリーブラックモードの場合]
ノーマリーブラックモードの明表示では、図6に示すように、入射偏光と出射偏光は偏光方向が互いに平行な関係となり、透過型液晶ライトバルブ10の入射前と出射後で偏光状態が変わらないため、色分離合成プリズム7を出射した偏光状態で色分離合成プリズム7に再入射される。したがって、R,G,Bのいずれの光路においても、λ/2板を挿入する必要は無い。
本実施形態の投射型画像表示装置1においては、リレーレンズ6と色分離合成プリズム7との間の光路上にG光にのみλ/2の位相差を付与する波長選択位相差板13が設けられているため、G光の偏光方向のみをP偏光に変化させることができ、色分離合成プリズム7内でS偏光を反射させ、P偏光を透過させる形態に合わせることができる。このようにして、本発明の投射型画像表示装置1は、色分離合成プリズム7にとって明るさ・色再現性の点で最も優れた性能を発揮できる光学構成とすることができ、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を充分に高めることができる。また、本構成によれば、色分離合成プリズム7が色分離部7aと色合成部7bとを兼ね備えているため、色分離用の素子と色合成用の素子とを別個に備える必要がなく、装置の小型化やコスト低減を図ることができる。
また、本実施形態の場合、前段の輝度変調ライトバルブが反射型液晶パネル5で構成されているため、耐熱性に優れた投射型画像表示装置を実現することができる。さらに、透過型液晶ライトバルブ10をTN液晶配向モード−ノーマリーホワイトモードで駆動した場合、明るい表示が可能な画像表示装置を実現することができ、TN液晶配向モード−ノーマリーブラックモードで駆動した場合、コントラストに優れた表示が可能な画像表示装置を実現することができる。
[第2の実施の形態]
以下、本発明の第2の実施の形態を図8を用いて説明する。
本実施形態の画像表示装置も、第1実施形態と同様、第1光変調素子、第2光変調素子の双方に液晶ライトバルブを用いた2変調方式の投射型画像表示装置の例である。
図8は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図(背面図)である。図8において、第1実施形態で用いた図4と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
第1実施形態では、ノーマリーホワイトモードで駆動する場合、R光、B光の光路についても、図7に示したG光の光路と同様の構成で良い、と述べた。この構成を採用した場合には、R,G,Bの各光路で構成が全く同一となるため、例えば各光学部品を保持するための保持部材が3つの光路で共通化できる等の利点がある。その反面、R、B光路における下段ミラー、上段ミラーでの反射率が劣るという欠点がある。これに対して、本実施形態では、R、B光路における下段ミラー、上段ミラーでの反射率を考慮して、R、B光路の構成をG光路の構成と異ならせた例を挙げる。
第1実施形態でも述べたように、下段ミラー8、上段ミラー9に誘電体多層膜ミラーを用いた場合、P偏光の反射特性よりもS偏光の反射特性が優れているため、下段ミラー8、上段ミラー9にミラーにとってのS偏光が入射するように構成することが望ましい。R、B光路では色分離合成プリズム7から(色分離合成プリズム7にとっての)S偏光(すなわち、ミラー8,9にとってのP偏光)が出射するので、下段ミラー8の手前で(色分離合成プリズム7にとっての)P偏光(すなわち、ミラー8,9にとってのS偏光)に変換すればよい。したがって、R光、B光の光路については、図8に示すように、色分離合成プリズム7の色分離部7aと下段ミラー8R,8Bとの間の光路上にそれぞれλ/2板17R,17Bを挿入することが望ましい。図8における「P偏光」、「S偏光」の表記も、図7と同様、色分離合成プリズム7にとっての「P偏光」、「S偏光」であって、下段ミラー8、上段ミラー9にとっての「P偏光」、「S偏光」とは逆である。
本実施形態によれば、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を高めつつ、装置の小型化やコスト低減が図れるといった第1実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態では、G光路に加えて、R,B光路においても下段ミラー8、上段ミラー9での反射率を高められるので、より明るい表示を得ることができる。
[第3の実施の形態]
以下、本発明の第3の実施の形態を図9を用いて説明する。
本実施形態の画像表示装置も、第1、第2実施形態と同様、第1光変調素子、第2光変調素子の双方に液晶ライトバルブを用いた2変調方式の投射型画像表示装置の例である。
図9は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図(背面図)である。図9において、第1実施形態で用いた図4と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
第1実施形態では、ノーマリーブラックモードで駆動する場合、透過型液晶ライトバルブ10の入射前と出射後で偏光状態が変わらないため、R,G,Bのいずれの光路でもλ/2板を挿入する必要は無い、と述べた。この構成を採用した場合には、λ/2板が不要となることで装置構成が簡単化するという利点がある反面、R、B光路における下段ミラー8、上段ミラー9での反射率が劣るという欠点がある。これに対して、本実施形態では、R、B光路における下段ミラー8、上段ミラー9での反射率を考慮して、R、B光路にλ/2板を挿入した構成例を挙げる。
本実施形態では、ノーマリーブラックモードで駆動する場合のR、B光路において、図9に示すように、下段ミラー8、上段ミラー9に(ミラー8,9にとっての)S偏光を入射させるために、色分離合成プリズム7の色分離部7aと下段ミラー8との間の光路上にそれぞれλ/2板18R,18B(第1の1/2波長板)を挿入し、透過型液晶ライトバルブ10に(色分離合成プリズム7にとっての)S偏光(すなわちミラー8,9にとってのP偏光)を入射させるために、上段ミラー9と透過型液晶ライトバルブ10との間の光路上にλ/2板19R,19B(第2の1/2波長板)を挿入している。なお、ノーマリーブラックモードで駆動する場合のG光路では、下段ミラー8、上段ミラー9にもともと(色分離合成プリズム7にとっての)P偏光(すなわちミラー8,9にとってのS偏光)が入射されるため、λ/2板は不要である。
本実施形態によれば、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を高めつつ、装置の小型化やコスト低減が図れるといった第1、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態では、ノーマリーブラックモード駆動時に下段ミラー8、上段ミラー9での反射率を高められるので、より明るく、コントラストに優れた表示を得ることができる。
[第4の実施の形態]
以下、本発明の第4の実施の形態を図10、図11を用いて説明する。
本実施形態の画像表示装置も、第1〜第3実施形態と同様、第1光変調素子、第2光変調素子の双方に液晶ライトバルブを用いた2変調方式の投射型画像表示装置の例である。ただし、第1〜第3実施形態では色変調ライトバルブに透過型液晶ライトバルブを用いたのに対し、本実施形態では色変調ライトバルブに反射型液晶ライトバルブを用いた点が異なる。
図10は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図(G光路を示す側面図)である。図11は、同、R,B光路を示す背面図である。図10、図11において、第1実施形態で用いた図3、図4と共通の構成要素に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態では、図10、図11に示すように、第1〜第3実施形態の上段ミラー9に代えてPBS21を配置し、光路に応じてPBS21の上面、側面のいずれかに反射型液晶ライトバルブ22(第2光変調素子)を配置している。R,B光路については、図11に示すように、色分離合成プリズム7をS偏光(ミラー8,9にとってのP偏光)が出射するため、下段ミラー8での反射を反射率が高い(ミラー8,9にとっての)S偏光反射とするために、色分離合成プリズム7の出射面と下段ミラー8との間の光路上にλ/2板23R,23Bを挿入し、偏光変換を行う。図10、図11における「P偏光」、「S偏光」の表記も、他の図面と同様、色分離合成プリズム7にとっての「P偏光」、「S偏光」であって、ミラー8,9にとっての「P偏光」、「S偏光」とは逆である。
また、色分離合成プリズム7の色合成部7bに(色分離合成プリズム7にとっての)S偏光で再入射させるためには、PBS21は(PBS21にとっての)S偏光反射入射−P偏光透過出射で用いる必要がある。この場合、反射型液晶ライトバルブ22R,22BをPBS21R,21Bの側面に配置することになる。この構成は、R光、B光の明るさを稼ぐ上で有利である。あるいは、下段ミラー8R,8Bでの反射率を考慮せず、λ/2板23R,23Bを挿入しない場合には、PBS21R,21Bは(PBS21R,21Bにとっての)P偏光透過入射−S偏光反射出射で用いる必要がある。この場合、反射型液晶ライトバルブ22R,22BをPBSの上面に配置することになる。
一方、G光路については、図10に示すように、下段ミラー8Gでの反射がもともと(ミラー8Gにとっての)S偏光反射になっている。この例では、PBS21Gを(PBS21Gにとっての)P偏光透過入射−S偏光反射出射で用いるために、下段ミラー8GとPBS21Gとの間の光路上にλ/2板23Gを挿入し、偏光変換を行っている。反射型液晶ライトバルブ22GはPBS21Gの上面に配置している。この構成を採用した場合、PBS21Gを(PBS21Gにとっての)P偏光透過入射−S偏光反射出射で用いることで、G光のコントラスト特性を向上させることができる。
本実施形態によれば、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を高めつつ、装置の小型化やコスト低減が図れるといった第1〜第3実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態では、輝度変調ライトバルブに加えて、色変調ライトバルブにも反射型液晶ライトバルブを用いているので、耐熱性に優れた投射型画像表示装置を実現することができる。
[第5の実施の形態]
以下、本発明の第5の実施の形態を図12を用いて説明する。
本実施形態の画像表示装置も、第1〜第4実施形態と同様、第1光変調素子、第2光変調素子の双方に液晶ライトバルブを用いた2変調方式の投射型画像表示装置の例であり、第4実施形態と同様、色変調ライトバルブに反射型液晶ライトバルブを用いたものである。
図12は、本実施形態の投射型画像表示装置の概略構成図(G光路を示す側面図)である。図12において、第4実施形態で用いた図10と共通の構成要素に同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
G光路について、第4実施形態では、PBS21Gを(PBS21Gにとっての)P偏光透過入射−S偏光反射出射で用いたのに対し、本実施形態では、PBS21Gを(PBS21Gにとっての)S偏光反射入射−P偏光透過出射で用いている。そのため、PBS21Gと色分離合成プリズム7の色合成部7bとの間の光路上にλ/2板24Gを挿入し、偏光変換を行っている。反射型液晶ライトバルブ22GはPBS21Gの側面に配置している。この構成により、色分離合成プリズム7には(色分離合成プリズム7にとっての)P偏光が入射する。
本実施形態によれば、表示画像の明るさやコントラスト等の表示性能を高めつつ、装置の小型化やコスト低減が図れる、耐熱性に優れた投射型画像表示装置を実現できる、といった第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。一例として、R,G,Bの全ての色変調ライトバルブをノーマリーホワイトモード、ノーマリーブラックモードのいずれか一方で駆動するのではなく、色によって使い分けるようにしても良い。例えば、G用色変調ライトバルブは明るさに優れたノーマリーホワイトモードとし、R,B用色変調ライトバルブはコントラスト特性に優れたノーマリーブラックモードとしても良い。このとき、輝度変調ライトバルブは、G光束帯域で最もコントラストが高くなるように、セル条件、駆動条件を調整することが望ましい。画像の明るさに対してはG光束が支配的であるため、G用色変調ライトバルブをノーマリーホワイトモードとすることで明るさを稼ぐことができる。一方、黒表示側については、輝度変調ライトバルブのR,Bに対するコントラスト特性が芳しくないため、R,B用色変調ライトバルブをノーマリーブラックモードとすることで、R,B用色変調ライトバルブでの黒表示を充分に沈めることができ、黒表示時の色付きを抑えることができる。
また、第4実施形態の変形例として、G光路については、図10に示した通りの構成とする一方、R,B光路については、図11の構成に代えて、PBSを(PBSにとっての)P偏光透過入射−S偏光反射出射で用い、光路中にλ/2板を挿入しない構成とすることもできる。この場合、色変調用の反射型液晶ライトバルブを全て装置の上面側に配置できるので、色変調ライトバルブのアライメントを行うのが容易になる。
また、上記実施形態において、前段の輝度変調ライトバルブにおけるPBSをP偏光入射−S偏光出射で用いるものとして説明したが、S偏光入射−P偏光出射で用いてもよい。その場合、後段の色変調ライトバルブ側の構成を変えないのであれば、図5に示したのとは逆に、R,B光の偏光状態を変換しなければならず、R,B帯域光束にλ/2の位相差を付与する波長選択位相差板を用いる必要がある。
また、上記実施形態では透過型液晶ライトバルブの液晶配向モードがツイストネマティックモードである場合を説明したが、他の液晶配向モードも使用してもかまわない。例えば、垂直配向モードを用いても良い。垂直配向モードにおいては、TN配向モードとは逆であり、ノーマリーブラックモードで駆動する場合に入射偏光と出射偏光の偏光方向が直交するため、図7の構成が必要となる。ノーマリーホワイトモードでは入射偏光と出射偏光の偏光方向が平行であるため、TN配向のノーマリーブラックモードと同様、λ/2板の挿入は必要ない。また、第1光変調素子として、反射型液晶ライトバルブに代えて透過型液晶ライトバルブを用いても良い。また、第1光変調素子には、液晶ライトバルブに限らず、DMD等を用いることもできる。
本発明の第1実施形態の投射型画像表示装置を示す斜視図である。 同平面図である。 同側面図である。 同背面図である。 本装置で用いる波長選択位相差板の作用を説明するための図である。 透過型液晶ライトバルブの明表示状態における偏光状態の説明図である。 ノーマリーホワイトモードで駆動する場合の光学構成の説明図である。 本発明の第2実施形態の投射型画像表示装置を示す背面図である。 本発明の第3実施形態の投射型画像表示装置を示す背面図である。 本発明の第4実施形態の投射型画像表示装置を示す側面図である。 同背面図である。 本発明の第5実施形態の投射型画像表示装置を示す側面図である。
符号の説明
1…投射型画像表示装置(画像表示装置)、2…光源、5…反射型液晶ライトバルブ(第1光変調素子)、7…色分離合成プリズム(色分離・合成素子)、7a…色分離部、7b…色合成部、8,8R,8G,8B…下段ミラー(光伝達手段)、9,9R,9G,9B…上段ミラー(光伝達手段)、10,10R,10G,10B…透過型液晶ライトバルブ(第2光変調素子)、11…投射レンズ(投射光学系)、13…波長選択位相差板(波長選択位相差素子)、17,17R,17B,18R,18B,19R,19B,23R,23G、23B、24G…λ/2板(1/2波長板)、22,22R,22G,22B…反射型液晶ライトバルブ(第2光変調素子)。

Claims (10)

  1. 光源と、
    光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、前記光源から出射された光を変調する第1光変調素子と、
    光変調特性を独立に制御可能な複数の画素を有し、各々の光変調素子が前記第1光変調素子から出射された各色光を変調する液晶ライトバルブからなる複数の第2光変調素子と、
    前記第1光変調素子によって変調された光を異なる波長域の複数の色光に分離する色分離部と前記複数の第2光変調素子によって変調された複数の色光を合成する色合成部とを有する色分離・合成素子と、
    各々の光伝達手段が前記色分離・合成素子の前記色分離部から出射された複数の色光のいずれか一つを前記複数の第2光変調素子のいずれか一つに伝達する複数の光伝達手段と、
    前記第1光変調素子と前記色分離・合成素子の前記色分離部との間の光路上に設けられ、前記異なる波長域の複数の色光のうちの特定波長域の色光に位相差を付与する波長選択位相差素子と、を備え、
    前記色分離・合成素子がクロスダイクロイックプリズムであり、前記複数の第2光変調素子が前記クロスダイクロイックプリズムの異なる面に対向配置されたことを特徴とする画像表示装置。
  2. 前記第1光変調素子が反射型液晶ライトバルブで構成され、
    前記反射型液晶ライトバルブにおいて、前記光源と反射型液晶パネルとの間の光路上に偏光ビームスプリッタが設けられ、前記光源からの光が前記偏光ビームスプリッタを経て前記反射型液晶パネルに入射し、前記反射型液晶パネルによって変調された光が前記偏光ビームスプリッタを経て出射されることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  3. 前記複数の色光が、赤色光、緑色光、青色光であり、
    前記波長選択位相差素子が前記赤色光、緑色光、青色光のうちの少なくとも一つの色光に対応する波長域の光に対して1/2波長の位相差を付与することにより前記波長域の光が前記色分離・合成素子にとってのP偏光で前記色分離部に入射され、残りの色光に対応する波長域の光が前記色分離・合成素子にとってのS偏光で前記色分離部に入射されることを特徴とする請求項2に記載の画像表示装置。
  4. 前記第2光変調素子が透過型液晶ライトバルブで構成され、
    前記透過型液晶ライトバルブの入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが互いに直交しており、
    前記色分離部と前記透過型液晶ライトバルブとの間の光路上に1/2波長板が設けられたことを特徴とする請求項2または3に記載の画像表示装置。
  5. 前記透過型液晶ライトバルブが、ツイストネマティック液晶配向モードでノーマリーホワイトモードで駆動されることを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。
  6. 前記光伝達手段が誘電体多層膜ミラーで構成され、前記1/2波長板が前記色分離部と前記誘電体多層膜ミラーとの間の光路上に設けられ、前記1/2波長板によって前記誘電体多層膜ミラーにとってのP偏光がS偏光に変換されることを特徴とする請求項4または5に記載の画像表示装置。
  7. 前記第2光変調素子が透過型液晶ライトバルブで構成され、
    前記透過型液晶ライトバルブの入射光の偏光方向と出射光の偏光方向とが互いに平行であることを特徴とする請求項2または3に記載の画像表示装置。
  8. 前記透過型液晶ライトバルブが、ツイストネマティック液晶配向モードでノーマリーブラックモードで駆動されることを特徴とする請求項7に記載の画像表示装置。
  9. 前記光伝達手段が誘電体多層膜ミラーで構成され、前記誘電体多層膜ミラーに入射する、前記誘電体多層膜ミラーにとってのP偏光をS偏光に変換するように、第1の1/2波長板が前記色分離部と前記誘電体多層膜ミラーとの間の光路上に設けられ、前記誘電体多層膜ミラーから出射する、前記誘電体多層膜ミラーにとってのS偏光をP偏光に変換するように、第2の1/2波長板が前記誘電体多層膜ミラーと前記透過型液晶ライトバルブとの間の光路上に設けられたことを特徴とする請求項7または8に記載の画像表示装置。
  10. 請求項1ないし9のいずれか一項に記載の画像表示装置と、前記第2光変調素子により形成される画像を投射する投射光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
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