JP2009216843A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーン上の任意の一点に入射する変調光の入射角度の時間的変位量を最大限に大きくし、スペックルノイズを十分に低減することができる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源１と、レーザ光源１から射出された照明光を変調する空間光変調素子３と、レーザ光源１から射出された照明光を空間光変調素子３に導き空間光変調素子３を照明する照明光学系２と、入射瞳像が照明光学系２の射出瞳径より大きく設定され空間光変調素子３を経た変調光を投射する投射レンズ１０と、この投射レンズ１０の入射瞳内において照明光学系２の射出瞳像を回転移動させる瞳整合手段６とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源及び空間光変調素子を用いた投射型表示装置に関する。

従来、照明光学系を介して反射型空間光変調素子（反射型液晶デバイス）を照明し、この反射型空間光変調素子を経た変調光を投射レンズによりスクリーンに投射するようにした投射型表示装置が提案されている。

このような投射型表示装置においては、光源から発せられた照明光（白色光）は、ダイクロイックミラーによって、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光及び青色（Ｂ）光の照明光に色分解され、照明光学系を介して、各色に対応した反射型空間光変調素子に入射される。

これら照明光は、各反射型空間光変調素子に入射される前に、所定の方向の直線偏光となされるとともに、この所定の方向の偏光成分のみを透過させるように設置された各色光用のワイヤグリッド偏光板を透過する。このワイヤグリッド偏光板は、反射型空間光変調素子により偏光変調された変調光を反射させ、この変調光を照明光学系に戻る光路から分岐させる。

ワイヤグリッド偏光板により反射された変調光は、さらに偏光板を経て、ダイクロイックプリズムによって色合成され、投射レンズに入射される。この投射レンズは、入射された変調光を、スクリーン上に投射して結像させ、画像を表示する。

このような投射型表示装置において、光源としてレーザ光源を用いた場合には、スクリーン上において発生するスペックルノイズにより表示画像の画質が低下するという問題がある。スペックルノイズによる画質低下という問題を解決するための手段として、特許文献１には、図５に示すように、照明光学系１０１を構成するロッドインテグレータ１０２を光軸を中心に回転するようにした投射型表示装置が記載されている。

また、特許文献２には、照明光学系１０１を構成するロッドインテグレータ１０２に入射する光束の角度を回転させる手法として、入射側のレンズ１０３を偏心回転するようにした投射型表示装置が記載されている。

特許第２７５５３４９号公報 特許第３５９５２９７号公報

ところで、前述のようなレーザ光源を用いた従来の投射型表示装置においては、スクリーン上の任意の一点に入射する変調光の入対角度の時間的変位量が小さく、スペックルノイズを十分に除去できないという問題がある。

すなわち、特許文献１に記載された投射型表示装置においては、ロッドインテグレータ１０２の回転により、照明エリアも同時に回転するので、投射レンズの入射瞳と照明光学系の射出瞳とのコントロールが極めて困難であり、スペックルノイズの除去が十分に行われない。

また、特許文献２に記載された投射型表示装置においては、瞳像が僅かに振動するのみであり、スペックルノイズの除去が十分に行われない。

なお、画像が投射されるスクリーンを振動させれば、スペックルノイズの除去を十分に行えることが予想されるが、スクリーンを振動させることは、装置構成の大型化、複雑化を招来し、また、照明光学系等の光学系中において発生するスペックルノイズを除去することができな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、スクリーン上の任意の一点に入射する変調光の入射角度の時間的変位量を最大限に大きくして、スペックルノイズを十分に低減することができる投射型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表示装置は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
レーザ光源と、このレーザ光源から射出された照明光を変調する空間光変調素子と、レーザ光源から射出された照明光を空間光変調素子に導き空間光変調素子を照明する照明光学系と、入射瞳像が照明光学系の射出瞳径より大きく設定されており空間光変調素子を経た変調光を投射する投射レンズと、この投射レンズの入射瞳内において照明光学系の射出瞳像を回転移動させる瞳整合手段とを備えたことを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する投射型表示装置において、瞳整合手段は、複数の平行な微細楔形状部を有する透過光学素子と、この透過光学素子を回転操作する回転駆動機構とからな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を有する投射型表示装置において、瞳整合手段は、照明光学系を構成するライトトンネル、または、ライトパイプの射出開口の近傍に配置されてい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表示装置においては、レーザ光源から射出された照明光を空間光変調素子に導き空間光変調素子を照明する照明光学系の射出瞳像が、瞳整合手段により、投射レンズの入射瞳内において回転移動される。スクリーン上の任意の１点に入射する光束の角度は、投射レンズの射出瞳径から張る角度で決まるため、この投射型表示装置においては、スクリーン上の任意の１点に入射する変調光の角度を時間的に最大限に変位させることができる。

したがって、この投射型表示装置においては、スクリーン上で発生するスペックルノイズを大幅に低減することができ、また、照明光学系の光路中で発生する干渉ノイズも除去することができる。さらに、この投射型表示装置においては、空間光変調素子を照明する照明領域の変動が微量に抑えられ、空間光変調素子を照明する照明領域の照度分布の均一性を向上させることができる。

構成２を有する本発明に係る投射型表示装置においては、瞳整合手段は、複数の平行な微細楔形状部を有する透過光学素子と、この透過光学素子を回転操作する回転駆動機構とからなるので、構成を大型化、複雑化することなく、簡素な構成により、スクリーン上で発生するスペックルノイズを大幅に低減することができる。

構成３を有する本発明に係る投射型表示装置においては、瞳整合手段は、照明光学系を構成するライトトンネル、または、ライトパイプの射出開口の近傍に配置されているので、構成を大型化、複雑化することなく、スクリーン上で発生するスペックルノイズを効果的に低減することができる。

すなわち、本発明は、スクリーン上の任意の一点に入射する変調光の入射角度の時間的変位量を最大限に大きくして、スペックルノイズを十分に低減することができる投射型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表示装置の構成について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る投射型表示装置の実施の形態における構成を示す平面図である。

本発明に係る投射型表示装置は、図１に示すように、レーザ光源１を有している。レーザ光源１から射出された照明光は、照明光学系２により空間光変調素子３に導かれ、この空間光変調素子３を照明する。照明光学系２は、レーザ光源１からの照明光を集光させる集光レンズ４と、集光レンズ４を経た照明光が入射され、この照明光の照度を均一化するロッドインテグレータ５と、ロッドインテグレータ５からの射出光を導く結像レンズ７，８とを有して構成されている。レーザ光源１から射出された照明光は、ロッドインテグレータ５内で複数回反射されて、このロッドインテグレータ５から射出されることにより、照度を均一化される。

照明光学系２を経た照明光は、偏光分離素子９を透過して、空間光変調素子３を照明する。偏光分離素子９は、偏光ビームスプリッタや、ワイヤグリッドであり、所定方向の偏光成分を透過させ、他の方向の偏光成分を反射するようになっている。照明光学系２は、ロッドインテグレータ５の射出開口が空間光変調素子３上に結像されるように配置されている。

空間光変調素子３は、レーザ光源１から射出され照明光学系２により導かれた照明光を変調する。空間光変調素子３は、例えば、反射型液晶デバイス等の反射型空間光変調素子である。この空間光変調素子３に入射された照明光は、画像信号に基づいて偏光変調されて、変調光として入射側に反射される。

空間光変調素子３を経た変調光は、偏光分離素子９に戻り、この偏光分離素子９により反射されて、投射レンズ１０に入射される。この投射レンズ１０は、入射された変調光をスクリーン１１上に結像させ、画像を表示する。

図２は、投射レンズの入射瞳内において照明光学系の射出瞳像が回転移動される様子を示す正面図である。

そして、この投射型表示装置においては、図２に示すように、投射レンズ１０の入射瞳像１０ａが、照明光学系２の射出瞳像２ａより大きく設定されている。すなわち、照明光学系２の設計Ｆ値は、投射レンズ１０の設計Ｆ値よりも大きくなっている。そして、この投射型表示装置においては、瞳整合手段となる瞳整合機構により、投射レンズ１０の入射瞳像１０ａ内において、照明光学系２の射出瞳像２ａが回転移動されるようになっている。

瞳整合機構は、図１に示すように、透過光学素子６と、この透過光学素子６を回転操作する回転駆動機構１２とから構成されている。回転駆動機構１２は、例えば、モータであって、駆動軸１２ａにより、透過光学素子６の中央部を支持している。この瞳整合機構は、照明光学系２を構成するロッドインテグレータ５（あるいは、ライトトンネル、または、ライトパイプ）の射出開口の近傍に配置されている。

なお、ライトトンネル、または、ライトパイプは、内面部が反射面として形成された中空の角柱状部材であり、ロッドインテグレータ５と同様に、照明光の照度の均一化を図るものである。

図３は、瞳整合機構を構成する透過光学素子の形状を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）及び要部拡大断面図（ｃ）である。

透過光学素子６は、図３に示すように、複数の平行な微細楔形状部６ａを有する透明な平板状の光学素子である。この透過光学素子６をなす材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ：Polymethylmethacrylate）を用いることができる。

この投射型表示装置においては、透過光学素子６が回転操作されることにより、ロッドインテグレータ５から射出される照明光の角度は、図１中の矢印Ａで示すように、照明光学系２の結像レンズ７，８に対して回転する。照明光の角度が結像レンズ７，８に対して回転することにより、投射レンズ１０の入射瞳像上を照明光学系２の射出瞳像が回転移動し、スクリーン１１上の任意の１点における変調光の入射角が時間と共に変化し、スペックルノイズが低減される。

なお、照明光学系のＦ値を５、投射レンズのＦ値を３．２とした場合には、透過光学素子６における微細楔形状部６ａの形状は、図３中の（ｃ）に示すように、楔角度θは１７°、ピッチＰは０．２ｍｍとすることが好ましい。

図４は、本発明に係る投射型表示装置の他の実施の形態における構成を示す平面図である。

本発明に係る投射型画像表示装置における照明光学系２は、前述した構成に限定されず、ロッドインテグレータに代えて、図４に示すように、第１及び第２のフライアイレンズアレイ１３，１４からなるフライアイインテグレータを用いて構成してもよい。すなわち、この照明光学系２においては、レーザ光源１から発せられた照明光は、集光レンズ４を経て、瞳整合機構を構成する透過光学素子６を透過して、結像レンズ７を経た後、第１のフライアイレンズアレイ１３及び第２のフライアイレンズアレイ１４を順次透過する。これら第１及び第２のフライアイレンズアレイ１３，１４は、対をなして、照明光の光束内の照度分布を均一化するフライアイインテグレータを構成している。

照明光学系２を経た照明光は、偏光分離素子９を透過して、空間光変調素子３を照明する。照明光学系２は、フライアイインテグレータの各射出開口が空間光変調素子３上に結像されるように配置されている。

空間光変調素子３は、レーザ光源１から射出され照明光学系２により導かれた照明光を変調する。空間光変調素子３に入射された照明光は、画像信号に基づいて偏光変調されて、変調光として入射側に反射される。

空間光変調素子３を経た変調光は、偏光分離素子９に戻り、この偏光分離素子９により反射されて、投射レンズ１０に入射される。この投射レンズ１０は、入射された変調光をスクリーン１１上に結像させ、画像を表示する。

なお、前述の各実施の形態においては、レーザ光源１の発する照明光は単色光であるので、単色の画像表示しか行えないが、前述の構成におけるレーザ光源１から空間光変調素子３までの構成を、Ｒ（赤色）用、Ｇ（緑色）用及びＢ（青色）用として３系統用いて、各空間光変調素子を経た変調光を色合成して投射レンズ１０に入射させることにより、カラー画像の表示を行うことができる。

また、カラー画像の表示は、Ｒ（赤色）用、Ｇ（緑色）用及びＢ（青色）用のレーザ光源と、一つの空間光変調素子とを用いて、いわゆるフィールドシーケンシャル方式（時分割方式）により行うこともできる。

フィールドシーケンシャル方式によりカラー画像の表示を行う場合には、一つの空間光変調素子が、所定の周期で、Ｒ（赤色）用画像、Ｇ（緑色）用画像及びＢ（青色）用画像に対応した変調を順次行う。この周期は、例えば、１／６０秒である（周波数として６０Ｈｚ）。

この場合において、瞳整合機構を構成する透過光学素子６の回転周期が、表示画像の色の切替周期に同期すると、スクリーン１１上の任意の１点における変調光の入射角は、各色ごとに略一定の角度となってしまうため、好ましくない。そこで、フィールドシーケンシャル方式によりカラー画像の表示を行う場合には、透過光学素子６の回転周期は、表示画像の色の切替周期の３倍以上、例えば、１／２０秒以上（周波数として２０Ｈｚ以下）とすることが好ましい。

本発明に係る投射型表示装置の実施の形態における構成を示す平面図である。 前記投射型表示装置において、投射レンズの入射瞳内において照明光学系の射出瞳像が回転移動される様子を示す正面図である。 前記投射型表示装置において瞳整合機構を構成する透過光学素子の形状を示す平面図（ａ）、断面図（ｂ）及び要部拡大断面図（ｃ）である。 本発明に係る投射型表示装置の他の実施の形態における構成を示す平面図である。 従来の投射型表示装置の照明光学系の構成を示す平面図である。 従来の投射型表示装置の照明光学系の他の構成を示す平面図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ 照明光学系
３ 空間光変調素子
６ 透過光学素子
１０ 投射レンズ
１１ スクリーン
１２ 回転駆動機構

Claims (3)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から射出された照明光を変調する空間光変調素子と、
   前記レーザ光源から射出された照明光を、前記空間光変調素子に導き、該空間光変調素子を照明する照明光学系と、
   入射瞳像が前記照明光学系の射出瞳径より大きく設定されており、前記空間光変調素子を経た変調光を投射する投射レンズと、
   前記投射レンズの入射瞳内において前記照明光学系の射出瞳像を回転移動させる瞳整合手段と
   を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記瞳整合手段は、複数の平行な微細楔形状部を有する透過光学素子と、この透過光学素子を回転操作する回転駆動機構とからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記瞳整合手段は、前記照明光学系を構成するライトトンネル、または、ライトパイプの射出開口の近傍に配置されている
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の投射型表示装置。

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