JP2010113186A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分離された各色光の光路長を等しくして合成画像の色むらを防ぐと共に、合成画像の輝度低下を抑制することができる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】波長が異なる複数の色光を含む光を射出する照明光学系１０と、照明光学系１０から射出される光を複数の色光に分離する色分離光学系３０と、色分離光学系３０から射出される複数の色光の各々に対応して設けられる複数の画像形成装置２０と、複数の画像形成装置２０からそれぞれ射出される色光を合成し、合成光Ｌを形成する色合成光学系４０と、合成光Ｌを投射する投射光学系５０と、を備え、複数の色光の光路において、照明光学系１０から各々対応する画像形成装置２０までの幾何学的な距離が互いに同一であり、複数の色光の光路上に、複数のレンズを有し等価焦点距離が等しいリレー光学系６０がそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、投射型表示装置に関するものである。

投射型表示装置（プロジェクタ）として、白色光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離し、それぞれの色について画像形成装置を用い画像光とした後、再度合成して画像を形成する３板式のプロジェクタが知られている。このような方式では、パネルを１枚しか搭載していない単板式に比べ、色の情報量が増え、作り出す色の精度が高くなるため、色の再現性が高くなるという利点がある。画像形成装置としては、液晶ライトバルブやＤＭＤ（Micro Mirror Devise：マイクロミラーデバイス）等を用いるものが広く普及している。

画像形成装置には、入射した光が入射面と対向する他面側へ透過し画像光が射出される透過型の画像形成装置と、入射した光が入射面と同じ側へ反射され画像光が射出される反射型の画像形成装置とがあり、それぞれの方式の画像形成装置を用いた投射型表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。これら２つの方式のうち、反射型の画像形成装置の１つである液晶ライトバルブは、透過型の液晶ライトバルブと比べ画素開口率が高く、高精細画像を形成することを得意としている。一方で、反射型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタは、一般に透過型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタよりも輝度が低いことが知られており、高精細表示が可能な反射型の液晶ライトバルブの特長を活かしながら、高輝度の画像表示を実現するための開発が進められている。
特開２００１−１５４２６８号公報

３板式のプロジェクタでは、白色光を射出する光源、白色光を分離する色分離光学系、光変調素子、の配置により、分離された各色の光の光路における、光源から光変調素子に届くまでの幾何学的な距離（光路長）が異なる。

図３は、反射型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタにおける各構成の配置例を示す図である。図３（ａ）に示すプロジェクタ１０１では、光源装置１１０から射出された光が色分離した後の光路において、赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂと比べ青色光Ｌｃの光路のみ光路長が長くなっている。また、図３（ｂ）に示すプロジェクタ１０２では、いずれの色光の光路長が等しくなるが、図３（ａ）の配置と比べると、赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂの光路が長くなっている。

光路長は、画質や画面の輝度に密接に関係している。プロジェクタでは、光学系内で複数の反射や屈折をするために、光源から射出された光が完全な平行光として液晶ライトバルブに到達することは困難であり、通常は光源から離れるほど輝度が低下する。

そのため、図３（ａ）に示すプロジェクタ１０１においては、液晶ライトバルブ１２０ａ、１２０ｂに照射される赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂの光量と比べ、液晶ライトバルブ１２０ｃに照射される青色光Ｌｃが減少し、光量の差によって合成される画像に色むらが生じてしまう。また、図３（ｂ）に示すプロジェクタ１０２では、光路長は等しいものの全体として光路が長いため、いずれの液晶ライトバルブ１２０ａ〜１２０ｃにおいても照射される光量が減少し、合成される画像の輝度が低下してしまう。このように、従来の構成では、満足いく画像表示が出来なかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、分離された各色光の光路長を等しくして合成画像の色むらを防ぐと共に、合成画像の輝度低下を抑制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。

上記の課題を解決するため、本発明の投射型表示装置は、波長が異なる複数の色光を含む光を射出する照明光学系と、前記照明光学系から射出される光を前記複数の色光に分離する色分離光学系と、前記色分離光学系から射出される前記複数の色光の各々に対応して設けられる複数の画像形成装置と、複数の前記画像形成装置からそれぞれ射出される色光を合成し、画像光を形成する色合成光学系と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、前記複数の色光の光路において、前記照明光学系から各々対応する前記画像形成装置までの幾何学的な距離が互いに同一であり、前記複数の色光の光路上に、複数のレンズを有し等価焦点距離が等しいリレー光学系がそれぞれ配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、照明光学系から射出される光は、リレー光学系のレンズを透過する毎に収束されながら伝達するため、光が光路中で拡散することに起因する光量の減少を防ぎ、良好に画像形成装置に入射させることができる。ここで、「等価焦点距離」とは、リレー光学系の像とほぼ同じ像を形成する薄レンズの焦点距離を示している。各リレー光学系は等価焦点距離が等しく、このようなリレー光学系は、色分離光学系で分離される複数の色光の光路の各々に対して配置されているため、各色光がリレー光学系を透過した後の光の状態（像状態）を揃えることができる。更に、分離される複数の色光の光路長は、互いに等しくなるよう設定している。そのため、複数の色光の全てにおいて光路長およびリレー光学系による光学的な影響を同一に揃えることが出来る。したがって、合成される画像光の色むらを防ぎ、且つ輝度低下を抑制した良好な画像表示が可能な投射型表示装置を提供することができる。

本発明においては、前記リレー光学系が有する前記複数のレンズの少なくとも一部は、前記照明光学系と前記色分離光学系との間に配置されていることが望ましい。
この構成によれば、複数の色光の各々に配置するリレー光学系の一部を共通化することが可能であるため、リレー光学系に要する部品点数を少なくすることができる。

本発明においては、前記リレー光学系が有する前記複数のレンズは、全て前記色分離光学系の中に配置されていることが望ましい。
この構成によれば、色分離光学系内に元来有する隙間に複数のレンズを配置することが可能であるため、装置を大型化することなくリレー光学系を設け、良好な画像表示が可能な投射型表示装置とすることができる。

本発明においては、前記複数の色光の光路の各々に配置される前記リレー光学系は、互いに同数のレンズを有していることが望ましい。
この構成によれば、レンズの歪曲収差によるずれやレンズ表面での光の散乱等、光がレンズを透過する際の減衰の影響をいずれの光路においても同等とすることができるため、
光路間の差を無くし、色むらをなくすことができる。

本発明においては、前記画像形成装置は、透過型の液晶ライトバルブであることが望ましい。
この構成によれば、反射型の画像形成装置と比べ光路を短くすることができるため、輝度低下を抑制し良好な画像表示が可能な投射型表示装置を提供することができる。

［第１実施形態］
以下、図１を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。

図１は、第１実施形態のプロジェクタ（投射型表示装置）１の概略構成を示す模式図である。図に示すように、プロジェクタ１は、照明光学系１０、液晶ライトバルブ（画像形成装置）２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、色分離光学系３０、クロスダイクロイックプリズム（色合成光学系）４０、投射レンズ（投射光学系）５０、及び３つのリレー光学系６０を備えている。

本実施形態の照明光学系１０は、光を射出する光源装置１１、光源装置１１の後段に順に配置された一組のフライアイレンズアレイ１２、偏光変換素子１３等から構成されている。光源装置１１は、高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の白色ランプ光源１１ａと、白色ランプ光源１１ａの光を反射させて前方に射出するリフレクタ１１ｂと、から構成されている。

フライアイレンズアレイ１２は、光源装置１１から射出された光の光強度の分布を均一化するためのものである。これにより、被照明領域である液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃにおいて照度分布が均一化される。

偏光変換素子１３は、その詳細な構造を図示しないものの、偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）及び１／２波長板アレイを有している。フライアイレンズアレイ１２からＰＢＳアレイに入射した光のうち、所定の偏光方向の偏光がＰＢＳアレイ内の偏光分離膜（ＰＢＳ膜）を透過するとともに、それ以外の偏光方向の偏光がＰＢＳアレイ内のＰＢＳ膜で反射する。反射した偏光は、１／２波長板アレイによって偏光方向が前記所定の偏光方向に変化して射出される。このように偏光変換素子１３は、光源光の光量を損なうことなく光源光の偏光方向を一方向に揃えるようになっている。

照明光学系１０から射出された白色光は、まず、色分離光学系３０のクロスダイクロイックミラー３１に入射し、赤色光Ｌａと、それ以外の波長の光とに分離される。クロスダイクロイックミラー３１は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したダイクロックミラーを交差させて２枚組み合わせて形成したものであり、一方のダイクロックミラーが赤色光Ｌａを反射すると共に、赤色光Ｌａ以外の光を透過させ、他方のダイクロックミラーが赤色光Ｌａ以外の光を反射すると共に、赤色光Ｌａを透過させることで、白色光を分離する。

クロスダイクロイックミラー３１で反射した赤色光Ｌａは、反射ミラー３２ａで反射した後に、ワイヤーグリッド偏光板３４ａに入射する。ワイヤーグリッド偏光板３４は、偏光変換素子１３にて調整された偏光方向（偏光の振動方向）に透過軸を有する反射型の偏光素子である。

また、クロスダイクロイックミラー３１で反射した赤色光Ｌａ以外の光は、反射ミラー３２ｂで反射した後にダイクロックミラー３３に入射し、緑色光Ｌｂ及び青色光Ｌｃに分離されて、同様にワイヤーグリッド偏光板３４ｂ、３４ｃに入射する。ダイクロックミラー３３は、緑色光Ｌｂを反射すると共に、青色光Ｌｃを透過させるものである。

ワイヤーグリッド偏光板３４を透過した各色の光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃに入射する。液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃの各々は、例えばアクティブマトリクス式の駆動方式を採用した反射型のものであり、一対の電極間に挟持された液晶層を有している。また、液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃは、画像信号を供給する信号源（図示略）に接続されている。信号源から画像信号が供給されると、前記電極間に電圧が印加され、この印加電圧に応じて液晶分子の方位角が制御される。これにより、光を変調することが可能になっている。

液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃの液晶層は、暗表示時には偏光状態を保持したまま反射し、明表示時には偏光軸を９０°回転させて反射させる。各液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃで変調された赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃは、偏光方向がワイヤーグリッド偏光板３４の透過軸に直交する方向となっているため、ワイヤーグリッド偏光板３４で反射して、クロスダイクロイックプリズム４０に入射する。

クロスダイクロイックプリズム４０は、三角柱プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光Ｌａが反射し緑色光Ｌｂが透過するミラー面と、青色光Ｌｂが反射し緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃは、これらのミラー面で選択的に反射あるいは透過して同じ側（投射レンズ５０側）に射出される。これにより、３つの色光が重ね合わされて合成光Ｌとなる。合成光Ｌは、投射レンズ５０に入射し、投射レンズ５０によって拡大投射されるようになっている。

本実施形態のプロジェクタ１は、赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃの各光路における、照明光学系１０から液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃまでの幾何学的な距離（光路長）がいずれも等しくなっている。各色光の光路長を揃えると、反面、各色光の光路長が長くなり、各色光に含まれている光軸と平行ではない光の成分が、対応する液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃに照射されにくくなる。しかし、プロジェクタ１では、赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃの光路中にリレー光学系６０を配置することで、光の拡散による輝度の低下を抑制している。

本実施形態のリレー光学系６０は、コンデンサーレンズ６１、リレーレンズ６２、フィールドレンズ６３を有しており、各々の色光の光路上にそれぞれ配置されている。コンデンサーレンズ６１は、照明光学系１０とクロスダイクロイックミラー３１との間に配置されており、照明光学系１０から射出された光が分離する前に、拡散する光を屈折させている。

リレーレンズ６２は、反射ミラー３２ａとワイヤーグリッド偏光板３４ａとの間の光路上に配置されたリレーレンズ６２ａと、反射ミラー３２ｂとダイクロックミラー３３との光路上に配置されたリレーレンズ６２ｂとがあり、各々設けられた位置において入射する光を屈折させ、光が拡散して減少することを抑制している。

フィールドレンズ６３は、各々の光路上に配置されたワイヤーグリッド偏光板３４の手前にそれぞれ配置しており、入射する各色光を平行光とする平行化レンズとしても機能している。

本実施形態のリレー光学系６０は上記のような構成となっているため、いずれの色光の光路上においても、リレー光学系６０はコンデンサーレンズ６１、リレーレンズ６２、フィールドレンズ６３を各々１つずつ備える構成となっており、各光路上に配置されているレンズの数は同数となっている。これらリレー光学系６０が有する複数のレンズは、各色光の拡散の程度に応じて適切な位置にレンズを配置することが可能であり、色光毎に適切な制御を行って光量の低減を抑制することができる。

また、本実施形態のリレー光学系６０において、リレーレンズ６２、フィールドレンズ６３の口径と比べて、大きい口径のコンデンサーレンズ６１を用いると、コンデンサーレンズ６１に入射する光のビーム径を絞り、収束した光を液晶ライトバルブに照射することが出来る。即ち、Ｆナンバー（Ｆ値）を大きくし、明るい画像を表示することが可能となる。また、コンデンサーレンズ６１より下流側（像側）に配置された各構成部材を小さくすることができるために、装置全体を小型化することが可能となる。

このようなリレー光学系６０を有することで、各々対応する液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃに良好に入射させることが可能となる。
本実施形態のプロジェクタ１は、以上のような構成となっている。

以上のような構成のプロジェクタ１によれば、各色光の光量の減少を防ぎ、良好に液晶ライトバルブに入射させることができる。また、リレー光学系は、各色光の光路上に配置されており、更に、全ての色光において光路長が等しくなるよう設定しているため、合成される合成光Ｌの色むらを防ぐことができる。そのため、輝度の低下を抑制し良好な画像表示が可能なプロジェクタ１とすることができる。

また、本実施形態では、コンデンサーレンズ６１は照明光学系１０とクロスダイクロイックミラー３１との間に配置することとしている。コンデンサーレンズ６１は、赤色光Ｌａ、緑色光Ｌｂ、青色光Ｌｃの各々の光路に配置するリレー光学系の一部として共通に用いることが可能であるため、リレー光学系に要する部品点数を少なくすることができる。

なお、本実施形態においては、ワイヤーグリッド偏光板３４を用いることとしたが、ＰＢＳを用いることとしても構わない。

また、本実施形態においては、反射型の液晶ライトバルブ２０ａ〜２０ｃを用いることとしたが、これに限らない。例えば、反射型の画像形成装置であるＤＭＤを用いることもできる。更に、透過型の液晶ライトバルブを用いることも可能である。透過型の液晶ライトバルブを用いる場合には、ワイヤーグリッド偏光板３４の配置位置に照明光学系１０側からの光をクロスダイクロイックプリズム４０へと反射させる反射ミラーを各々配置し、反射ミラーとクロスダイクロイックプリズム４０との間に透過型の液晶ライトバルブを配置する。透過型の液晶ライトバルブを用いると、反射型の画像形成装置と比べ光路長を短くすることができるため、輝度低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、照明光学系１０とクロスダイクロイックミラー４１との間には、コンデンサーレンズ６１のみを配置しているが、他の機能を有する光学系を配置することもできる。例えば、照明光学系１０から射出された光のビーム径を絞る機能を有する光学系や、照明光学系１０から射出された光を平行化する平行化光学系等を、単独または組み合わせて設けることとしても良い。コンデンサーレンズ６１は、これらの光学系の一部を構成することとしても構わない。

また、本実施形態においては、リレーレンズ６２は各光路に１つ配置することとしたが、必要に応じて数を増やすこともできる。リレーレンズ６２を増やすと、光の拡散による光量減少を更に抑制することができるが、反面、光がレンズを透過する際の歪曲収差により、透過光に歪みを生じる懸念が生じる。そのため、必要とする光量などの設定値に応じて、必要最小限のリレーレンズ６２を用いることが望ましい。

また、本実施形態においては、各色光の光路の各々に配置されるリレー光学系６０は、互いに同数のレンズを有していることとしている。そのため、各色光がレンズを透過する際の影響を各光路において同等とすることができ、色むらを防ぐことができる。

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係るプロジェクタ２の説明図である。本実施形態のプロジェクタ２は、第１実施形態のプロジェクタ１と一部共通している。異なるのは、リレー光学系を構成するコンデンサーレンズの数および配置である。したがって、本実施形態において第１実施形態と共通する構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態のコンデンサーレンズ６４としては、クロスダイクロイックミラー３１と反射ミラー３２ａとの間に配置されたコンデンサーレンズ６４ａ、及びクロスダイクロイックミラー３１と反射ミラー３２ｂとの間に配置されたコンデンサーレンズ６４ｂ、を有しており、クロスダイクロイックミラー３１による分離後の光を屈折させ集光させている。このような配置のため、照明光学系１０とクロスダイクロイックミラー３１との間にレンズを配置するための隙間を設ける必要がない。

以上のような構成のプロジェクタ２によれば、色分離光学系内に元来有する隙間に複数のレンズを配置することが可能であるため、装置を大型化することなくリレー光学系６０を設け、良好な画像表示が可能なプロジェクタ２とすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の第１実施形態の投射型表示装置を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の投射型表示装置を示す模式図である。 従来の投射型表示装置を示す模式図である。

符号の説明

１，２…プロジェクタ（投射型表示装置）、１０…照明光学系、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…液晶ライトバルブ（画像形成装置）、３０…色分離光学系、４０…クロスダイクロイックプリズム（色合成光学系）、５０…投射レンズ（投射光学系）、６０…リレー光学系、６１，６４，６４ａ，６４ｂ…コンデンサーレンズ、６２，６２ａ，６２ｂ…リレーレンズ、６３…フィールドレンズ、

Claims (5)

1. 波長が異なる複数の色光を含む光を射出する照明光学系と、
   前記照明光学系から射出される光を前記複数の色光に分離する色分離光学系と、
   前記色分離光学系から射出される前記複数の色光の各々に対応して設けられる複数の画像形成装置と、
   複数の前記画像形成装置からそれぞれ射出される色光を合成し、画像光を形成する色合成光学系と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記複数の色光の光路において、前記照明光学系から各々対応する前記画像形成装置までの幾何学的な距離が互いに同一であり、
   前記複数の色光の光路上に、複数のレンズを有し等価焦点距離が等しいリレー光学系がそれぞれ配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記リレー光学系が有する前記複数のレンズの少なくとも一部は、前記照明光学系と前記色分離光学系との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記リレー光学系が有する前記複数のレンズは、全て前記色分離光学系の中に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
4. 前記複数の色光の光路の各々に配置される前記リレー光学系は、互いに同数のレンズを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記画像形成装置は、透過型の液晶ライトバルブであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
   
   
   

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