JP2009211095A - 光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３色に分離された各色光の対応する液晶パネル上への照射位置と照射
範囲を、色光毎に独立に調整できる光学ユニットを提供する。
【解決手段】光源から照射される白色の収束光を最初に第１の色光とその補色
光の２色光に分離する第１のダイクロイックミラーの後の各色光の光路上で、第
１のダイクロイックミラーと第１の色光をこれに対応する第１の映像表示素子側
方向に折り返すミラーとの間、及び第１ダイクロイックミラーと前記補色光を第
２の色光と第３の色光に分離する第２のダイクロイックミラーとの間に、液晶パ
ネル上の照射位置を調整するための位置調整手段を備えた集光レンズを配置する
。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源側からの白色光をＲ，Ｇ，Ｂ光の３色光に分離した後、其々の
色光に対応した映像表示素子に照射し、該映像表示素子で映像信号に応じて画素
毎の濃淡に変える光強度変調を行って、光学像を形成し、その光学像をスクリー
ンなどに映像として拡大投射する３板式の投射型映像表示装置に関する。

従来より、光源からの光を映像表示素子で映像信号に応じて画素毎に濃淡を変
える光強度変調（空間光変調ともいう）を行い、光学像を形成し、その光学像を
投射レンズにて拡大投射する光学ユニットを搭載した投射型映像表示装置が知ら
れている。映像表示素子としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、マイ
クロミラーパネルなどが知られている。

近年、投射型映像表示装置では、高輝度・高画質であることが要求されている
。このため、従来、例えば、映像表示素子として透過型液晶パネルを３枚用い、
光源からの光を２つのレンズアレイを用いたインテグレータ照明光学系で複数光
束に分割し、これらの光束を２つの集光レンズで液晶パネル上に重畳させて均一
照明する３板式の投射型映像表示装置が広く用いられている。

光源からの光が、各液晶パネルを正しく照射する構成が、例えば下記特許文献
１に開示されている。下記特許文献１では、その図１の実施形態（５頁乃至８頁
）で述べられているように、Ｒ透過ＧＢ反射ダイクロイックミラー１０６を透過
後のＲ光路に第１の負レンズ１０９を、Ｒ透過ＧＢ反射ダイクロイックミラー１
０６を反射後のＧＢ光路に第２の負レンズ１１０を設け、さらに、第１の負レン
ズ１０９，第２の負レンズ１１０および第２のリレーレンズ１１３を光軸に平行
な方向および垂直な方向に移動させる調整部を設けて、光源光が各液晶パネル１
１５，１１６，１１７を正しく照射するように、第１の負レンズ１０９，第２の
負レンズ１１０および第２のリレーレンズ１１３を各々独立に調整できるように
している。その調整は、光軸に平行な方向の移動で照射範囲（照射面積）の大き
さを、垂直な方向の移動で照射位置を変えるものである。

特開２００２−９０８８５号公報

前記したように、前記特許文献１に開示されている技術では、第１の負レンズ
１０９，第２の負レンズ１１０および第２のリレーレンズ１１３を、各々独立に
、光軸に平行な方向および垂直な方向に移動させ、各色光の対応する第１〜第３
の液晶パネル１１５〜１１７上の照射位置および照射範囲を独立に調整できるよ
うにして、光学部品の製造上の正規位置からのずれに起因する液晶パネルに集光
する照射位置のずれの補正を各色光毎に最適化することができ、かつ液晶パネル
に入射する光線の角度変化を抑え、投射される光量の減少を抑えることができ、
照明欠けがなく明るい投射型映像表示装置を実現している。

しかし、前記負レンズを設けて、集光レンズ１０５の収束光束を発散させるよ
うに屈折しても、光軸に平行な平行光線とはならないので、Ｇ反射ダイクロイッ
クミラー１０７には依然として入射角度の異なる光束が入射する。

一般に、ダイクロイックミラーには光線の入射角度によって異なる波長範囲の
光を透過、及び反射するという特性（入射角依存性）がある為、前記例では、例
えばＧ光用液晶パネル１１６，Ｂ光用液晶パネル１１７の左右で、照射される光
の色が異なるという色むらの問題が生じる可能性がある。

これを解決する手段として、一般に、ダイクロイックミラーに左右の光線角度
差による影響を補正するウェッジコートをかける公知の手法が用いられるが、低
価格化に対し不利となり、またウェッジコートの製造上のばらつきにより、色む
らが残存する可能性が残る。

また、光源として超高圧水銀ランプを用いる場合、図２に示す分光エネルギー
分布から明らかなように、ランプのスペクトル特性として赤色の光量が少なく、
色再現性が不充分となる問題がある。

前記特許文献１に開示されている技術では、かかる課題について十分に考慮さ
れていない。

本発明は、かかる課題を鑑みて成されたもので、その目的は、前記課題を解決
し、３色に分離された各色光の対応する液晶パネル上への照射位置と照射範囲を
、色再現性を良好に保ちながら、色光毎に独立に調整できる光学ユニットおよび
それを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。

前記課題点を解決するために、本発明では、 光源と、該光源からの白色光を赤
色光、緑色光、青色光に分離する第１及び第２のダイクロイックミラーと、分離
した複数の各成分毎に各色光を変調する３個のライトバルブ手段と、該ライトバ
ルブ手段からの光を合成する合成手段と、合成後の変調光を投射表示する投射手
段と、前記第１のダイクロイックミラーと前記第２のダイクロイックミラーとの
間の光路、及び前記第１のダイクロイックミラーでの反射直後の光路に、前記光
源からの白色光を略平行光とする第1及び第２の集光レンズを備えた構成とする
。

本発明により、赤色光と緑色光の映像表示素子上における集光位置を其々独立
して調整できる為、従来に対して映像表示素子上における光の照射範囲を縮小で
き、高輝度化に有利となる。

以上述べたように、本発明によれば、投射型映像表示装置の高画質化が可能と
なる。

本発明を３板式投射型液晶表示装置の光学ユニットに適用した一実施形態の上面概略図である。 超高圧水銀ランプの分光エネルギー分布図である。 図１からＧ光路の液晶パネルまでの部分を抜き出して、直線上に展開表記した図である。 前記した本発明の実施形態である光学ユニットを搭載した投射装置の模式図である。 投射装置を投射型映像表示装置のうちの一形態である背面投射型映像表示装置に適用した一実施形態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、全図におい
て、共通な機能を有する部分には同一符号を付して示し、一度説明したものにつ
いては、煩雑さを避けるために、その繰り返した説明を省略する。

本発明は、３板式の投射型映像表示装置において、光源から照射される白色の
収束光を最初に第１の色光とその補色光（例えばＲ光とＧＢ光）の２色光に分離
する第１のダイクロイックミラーの後の各色光の光路上で、第１のダイクロイッ
クミラーと第１の色光をこれに対応する第１の映像表示素子側方向に折り返すミ
ラーとの間に、そして、第１ダイクロイックミラーと前記補色光を第２の色光と
第３の色光に分離する第２のダイクロイックミラーとの間に、それぞれ集光レン
ズを配置したことに特徴がある。

図１は本発明を３板式投射型液晶表示装置の光学ユニットに適用した一実施形
態の上面概略図である。

図１において、光源１の例えば超高圧水銀ランプのようなランプ１ａより出射
した光は、放物反射面鏡リフレクタ１ｂで反射され、前面ガラス２を透過した後
、公知のレンズアレイ方式のインテグレータ光学系に入射する。インテグレータ
光学系は、放物反射面鏡リフレクタ１ｂの出射開口と略同等サイズの矩形枠に設
けられた矩形状の複数のレンズセルにより構成され、複数の２次光源像を形成す
るための第１のレンズアレイ３と、同様に矩形状の複数のレンズセルにより構成
され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置されて、かつ液晶パネル
１６に第１のレンズアレイ３の個々のレンズセル像を結像させる第２のレンズア
レイ４とからなる。インテグレータ光学系で複数光束に分割された各光束は偏光
変換素子５で所定偏光方向（例えばＳ偏光）に揃えられ、Ｓ偏光に揃えられた各
光束は、第１集光レンズ６により集光され、第２集光レンズ８により平行光とさ
れた後、液晶パネル１６上に重畳して照射され、液晶パネル１６は均一な照明が
なされる。

この経路の途中で、第１集光レンズ６を出射した光は、光軸に対して４５°の
角度に配置された光源からの白色光をＲ（赤色）光とＧ（緑色）Ｂ（青色）光に
分離する色分離手段であるＲ反射ダイクロイックミラー７により、ＧＢ光は透過
し、Ｒ光は反射する。そして、Ｒ反射ダイクロイックミラー７を透過したＧＢ光
は、Ｇ反射ダイクロイックミラー９により、Ｇ光は反射し、Ｂ光は透過する。

Ｒ光は、第２集光レンズ８Ｒにより平行光とされた後、Ｒ用全反射ミラー１１
Ｒによりその光路を９０°折り曲げられて、温度上昇の原因となる赤外線を除去
する為のＩＲカットフィルターが設けられた透光性基板１４Ｒ及び入射偏光板１
５Ｒを通過し、透過型の液晶パネル１６Ｒに入射する。そして、液晶パネル１６
Ｒでは光強度変調されて、液晶パネル１６Ｒの出射側に設けられた前置出射偏光
板１７Ｒ及び出射偏光板１８Ｒを通過し、ダイクロイックプリズム１９に入射す
る。

液晶パネル１６Ｒでは、外部より駆動される映像信号（図示せず）に従って、
液晶パネル１６Ｒの各画素を形成する液晶セル毎にその偏光方向が変わり、最終
的に前置出射偏光板１７Ｒ，出射偏光板１８Ｒの偏光方向と一致する方向になっ
た光が出射され、その偏光方向と直交方向になった光は前置出射偏光板１７Ｒ及
び出射偏光板１８Ｒで吸収される。このようにして、外部より入力する映像信号
に応じて光の濃淡に変える光強度変調が行われて、光学像である画像が形成され
る。

一方、Ｒ反射ダイクロイックミラー７を透過したＢ光とＧ光は、第２集光レン
ズ８Ｇによって平行光とされ、Ｇ反射ダイクロイックミラー９に入射する。この
Ｇ反射ダイクロイックミラー９によりＧ光は反射し、色再現性を向上させる為の
トリミングフィルターであるダイクロイックフィルターが設けられた透光性基板
１４Ｇ及び入射偏光板１５Ｇを通過し、液晶パネル１６Ｇに入射する。そして、
液晶パネル１６Ｇでは光強度変調されて、液晶パネル１６Ｇの光の出射側に設け
られた前置出射偏光板１７Ｇ及び出射偏光板１８Ｇを通過し、ダイクロイックプ
リズム１９に入射する。

また、Ｇ反射ダイクロイックミラー９を透過したＢ光は、第１リレーレンズ１
０を透過し、Ｂ光用全反射ミラー１１Ｂａによりその光路を９０°折り曲げられ
て第２リレーレンズ１２を透過後、Ｂ光用全反射ミラー１１Ｂｂによりその光路
を９０°折り曲げられて、液晶パネル前に設けられているコンデンサレンズ１３
により平行光とされる。その後、偏光板劣化の原因となる紫外線を除去する為に
配置されたＵＶカットフィルターが設けられた透光性基板１４Ｂ及び入射偏光板
１５Ｂを通過し、透過型の液晶パネル１６Ｂに入射する。そして、液晶パネル１
６Ｂでは光強度変調されて、液晶パネル１６Ｂを透過した後、液晶パネル１６Ｂ
の光の出射側に設けられた前置出射偏光板１７Ｂ及び出射偏光板１８Ｂを通過し
、ダイクロイックプリズム１９に入射する。

ダイクロイックプリズム１９は、ダイクロイックミラー面（図示せず）で入射
したＲ光，Ｂ光を反射し、Ｇ光を透過させて色合成し、投射手段２０に出射する
。そして、投射手段２０はダイクロイックプリズム１９で色合成された画像を図
示しないスクリーンに拡大して投射する。

ここで、光源光が各液晶パネル１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂを正しく照射するよう
に、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇおよび第２リレーレンズ１２にそれぞれ光軸に直
交する面内で２次元方向に移動可能なおよび光軸に平行な方向に移動可能な位置
調整手段３０を設けている。

これらの位置調整手段３０により、光軸に垂直な方向の移動で照射位置を、光
軸に平行な方向の移動で照射範囲（照射面積）の大きさを、各々独立に調整でき
るようにしている。

なお、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇは、従来技術で配置されていた液晶パネルの
近傍位置から本発明による位置に配置されるにあたり、配置された位置に適した
曲率のレンズが用いられることはいうまでもない。

また、透光性基板１４と入射偏光板１５、および、前置出射偏光板１７と出射
偏光板１８は所定の間隔で対向して配置されているが、これは、図示しない冷却
手段（例えば冷却ファン）から送風される冷却風が通る風路を形成するためであ
る。冷却風が通る風路を形成して、偏光板で生じる熱を効率的に放熱させる。

以上述べたように、本実施形態では、従来液晶パネル１８Ｒ，１８Ｇの近傍に
配置されていた第２集光レンズを、Ｒ光路ではＲ反射ダイクロイックミラー７と
Ｒ用全反射ミラー１１Ｒとの間に配置し、ＧＢ光路ではＲ反射ダイクロイックミ
ラー７とＧ反射ダイクロイックミラー９との間に配置して、第１集光レンズ６か
らの収束光束を平行光束となるようにしている。従って、光軸に４５°傾斜して
設けられたＧ反射ダイクロイックミラー９には、入射角度がほぼ４５°の光軸に
平行な光束が入射するので、ダイクロイックミラーの反射、透過特性に表れる入
射角依存性を低減でき、従来用いられていたウェッジコートをなくすことができ
るので、所定の良好な色再現性を確保しながら、コストダウンを図ることができ
る。

図３は図１からＧ光路の液晶パネルまでの部分を抜き出して、直線上に展開表
記した図である。図３において、光源１からの光束はレンズアレイ方式のインテ
グレータ光学系で複数光束に分割され、偏光変換素子５で所定偏光方向に揃えら
れて、第１集光レンズ６で収束光束とされ、第２集光レンズ８Ｇで平行光束され
た後に液晶パネル１６Ｇに照射される。このとき、収束光束を平行光束とする第
２集光レンズ８Ｇにより、２枚目のＧ反射ダイクロイックミラー９において入射
角が光軸の左右で略相等しく、光束の左右角度差を生じず、ダイクロイックミラ
ー９にはウェッジコートをかける必要が無い。このため、低価格化に優位となり
、またウェッジコートのばらつきによる影響も、１枚目のダイクロミラー７だけ
になる為、従来比半分に低減される。

図１に戻って、また、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇおよび第２リレーレンズ１２
には、それぞれ、光軸に直交する面内で２次元方向に移動可能なおよび光軸に平
行な方向に移動可能な位置調整手段３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂを設けている。そし
て、光軸に直交する面内の垂直な方向の移動で照射位置を、光軸に平行な方向の
移動で照射範囲（照射面積）を、各々独立に調整できるようにしている。

従って、光源として赤色光量の少ない超高圧水銀ランプを用いた場合、第２集
光レンズ８Ｇと第２リレーレンズ１２の位置を光軸に平行に若干液晶パネル側か
ら遠ざかる方向に移動させ、照明範囲を広げて、Ｒ光の光量、及び単色の色度を
変化させること無く、ＧＢ光の光量のみを減少させることができる。これにより
明るさは低下するが、Ｒ光量の少ない超高圧水銀ランプを用いた場合でも良好な
色再現性が実現できる。勿論、第２集光レンズ８Ｒの位置を光軸に平行に少し液
晶パネル側に近づけて、液晶パネル上の照明範囲を照明欠けが生じない程度に狭
め、Ｒ光の光量を増してもよいことはいうまでもない。

前記で述べた効果を効果的にするため、Ｒ反射ダイクロイックミラー７とＲ用
全反射ミラーとの間、および、Ｒ反射ダイクロイックミラー７とＧ反射ダイクロ
イックミラー９との間に配置している位置調整手段３０を備えた第２集光レンズ
８を、液晶パネルとインテグレータ光学系を構成する第２のレンズアレイ４との
略中間の位置に配置する。
また本発明により、第２集光レンズ８Ｒ，８Ｇの曲率のみの変更で、同一の光
学ユニットによる明るさ重視の投射型映像表示装置と、色再現性重視の投射型映
像表示装置が実現でき、初期投資費用が大幅に削減可能となる。

以上述べた実施形態では、ダイクロイックミラー７でＲ光を反射し、ＧＢ光を
透過する形式をとっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば
ダイクロイックミラー７でＢ光を反射し、ＲＧ光を透過する形式としてもよいこ
とはいうまでもない。また、光源方向を変えて、Ｒ光はダイクロイックミラー７
を透過させ、ＧＢ光は反射させるようにしてもよい。

また、第１のダイクロイックミラー７でＢ光を反射し、ＲＧ光を透過する形式
の場合、Ｒ光とＧ光を分離する第２のダイクロイックミラーの分離特性は、光源
として超高圧水銀ランプを用いるとき、図２に示す分光エネルギー分布から明ら
かなように、Ｇ光とＲ光の間に黄色成分があるので、半値波長のばらつきの影響
を受け易く、これに加えて、ダイクロイックミラーに入射する入射角度が４５°
からずれると、入射角依存性の影響も受ける。従って、ダイクロイックミラーの
半値波長が所定どおりとしても、入射角依存性は残り、例えばＧ光が黄緑色とな
り色純度が悪くなる。この場合、本発明は、Ｒ光とＧ光を分離する第２のダイク
ロイックミラーへの入射光を光軸に略平行として、第２のダイクロイックミラー
への入射角度を略４５°に揃えることができるので、入射角依存性を低減でき、
特に有効である。

図４は前記した本発明の実施形態である光学ユニットを搭載した投射装置の模
式図である。図４において、図１，図３に同じ機能を有する要素には同一符号を
付して示す。

図４において、投射装置３１０は、前記した本発明による実施形態である光学
ユニット３００と液晶パネルに光学像を形成させるように表示駆動を行う表示駆
動回路３０１とからなる。以下、投写装置３１０の機能を述べる。

図４において、光源１からの光は図示しない偏光変換素子で所定偏光に揃えら
れ、図示しない色分離手段（例えば図１のＲ反射ダイクロイックミラー７、Ｇ反
射ダイクロイックミラー９）でＲ，Ｇ，Ｂ光に分離されて透過型の液晶パネル１
６（１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ）に照射される。液晶パネル１６では表示駆動回路
３０１からの映像信号に応じて色光毎に前記所定偏光の偏光方向が変えられ、各
色光の濃淡に変えられる光強度変調が行なわれて、光学像が形成される。各色光
の該光学像は図示しない色合成手段（例えば図１のダイクロイックプリズム１９
）で合成されて投射手段２０で拡大されて投写される。

図５は前記投射装置を投射型映像表示装置のうちの一形態である背面投射型映
像表示装置に適用した一実施形態であり、側面から見た概略断面図である。図５
において、投射装置３１０からの投射映像光は背面ミラー３１１でスクリーン３
１２方向に光路を折り返えされて、スクリーン３１２の背面側から投射される。
なお、３１３は背面投写型映像表示装置の筐体である。

以上述べた実施形態では、位置調整手段を光軸に直交する面内で２次元方向に
移動可能および光軸に平行な方向に移動可能であるとしたが、これに限定される
ものではなく、少なくとも、光軸に直交する面内で２次元方向に移動可能であれ
ばよいことはいうまでもない。このようにすることにより、輝度が低下するが、
液晶パネル上での照射範囲のマージンを少し大きくすることで対応可能である。

以上のように、映像表示素子上における光源からの光の照射位置と照射範囲を
ＲＧＢの各色光において独立に調整でき、従来に対して映像表示素子上における
光線照射範囲を可変することが可能となり、色再現性を良好に保つことができ、
高輝度化にも有利となる。

また第２ダイクロイックミラーに入射する光線が平行光となる為、第２ダイク
ロイックミラーにおける光線角度の左右差による色むらを低減でき、この点から
も良好な色再現性を図れる。

１…光源、２…前面ガラス、３…第１のレンズアレイ、４…第２のレンズアレイ
、５…偏光変換素子、６…第１集光レンズ、７…Ｒ反射ダイクロイックミラー、
８…第２集光レンズ、９…Ｇ反射ダイクロイックミラー、１０…第１リレーレン
ズ、１１…全反射ミラー、１２…第２リレーレンズ、１３ｖコンデンサレンズ、
１４…透光性基板、１５…入射偏光板、１６…液晶パネル、１７…前置出射偏光
板、１８…出射偏光板、１９…ダイクロイックプリズム、２０…投射手段、３０
…位置調整手段、３００…光学ユニット、３１０…投射装置、３０１…表示駆動
回路、３１１…背面ミラー、３１２…スクリーン、３１３…筐体。

Claims (6)

1. 光源と、該光源からの白色光を赤色光、緑色光、青色光に分離する第１及び第
   ２のダイクロイックミラーと、分離した複数の各成分毎に各色光を変調する３個
   のライトバルブ手段と、該ライトバルブ手段からの光を合成する合成手段と、合
   成後の変調光を投射表示する投射手段と、前記第１のダイクロイックミラーと前
   記第２のダイクロイックミラーとの間の光路、及び前記第１のダイクロイックミ
   ラーでの反射直後の光路に、前記第１のダイクロイックミラーにより分離された
   ２個の色光を略平行光とする第1及び第２の集光レンズを備えたことを特徴とす
   る光学ユニット。
2. 前記第1及び第２の集光レンズは、光軸に略直交する面内で、２次元方向の位
   置調整を行なう調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニッ
   ト。
3. 前記第２のダイクロイックミラーを透過した光が入射されるリレーレンズを有
   し、該リレーレンズは、光軸に略直交する面内で、２次元方向の位置調整を行な
   う調整手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか一項に記載
   の光学ユニット。
4. 前記光源からの光を前記ライトバルブに均一に照射させるためのインテグレー
   タを有し、前記集光レンズは、前記ライトバルブと前記インテグレータの略中央
   の位置に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか一項に記載の
   光学ユニット。
5. 前記集光レンズの保持部材として、該レンズ保持位置を光軸方向に調整可能な
   部材を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の光学
   ユニット。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の光学ユニットと、前記ライトバル
   ブを駆動する駆動回路を有することを特徴とする投射型映像表示装置。

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