JP2012133397A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、像面での各色光の偏光状態を、偏光変換手段により実質的に同等とすることで、像面への入射角度が大きな映像光を水平面上に投射しても、色ムラの発生しない投射型映像表示装置を提供できる。
【解決手段】 光源ユニットと、色分離手段を含む照明光学系と、複数の映像表示素子と、色合成手段としてのクロスプリズムと、像面への入射角度の最大値が５５度以上である投射光学系を有する投射型映像表示装置において、投射型映像表示装置を縦置き設置して映像を水平面に表示可能な構造体を備え、前記クロスプリズムと投射光学系の間、若しくは、投射光学系の中に、偏光変換手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶を用いた映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置を提供する技術に関するものである。

色合成手段として用いるクロスプリズムにおいて、その処理の過程にて、Ｐ偏光とＳ偏光での反射率（透過率）の違いによる色ムラが発生することがあり、その対策について、特許文献１、特許文献２に開示されている。また、投射光学系について、像面への入射角度に関しての記載が特許文献３に開示されている。

特開２００５−３２１５４４号公報 特開２００４−１３３１１２号公報 特開２００６−２９２９０１号広報

色合成手段としてのクロスプリズムへは、透過光をＰ偏光で入射し、反射光をＳ偏光で入射させて色合成を行うことができる。先ずこの理由について、図１１と図１２を用いて説明する。図１１は、空気中から透明な媒質へある角度でＰ偏光、Ｓ偏光それぞれの光が入射させた場合での、反射率を表した図である。空気中での入射角αと、媒質中（屈折率Ｎ）での屈折角βを用いて、Ｐ偏光の反射率およびＳ偏光の反射率は、数１で定まる。

（数１）
Ｒ_S＝｛ｓｉｎ（α−β）／ｓｉｎ（α＋β）｝²
Ｒ_P＝｛ｔａｎ（α−β）／ｔａｎ（α＋β）｝²
Ｓ偏光はＰ偏光に比べて反射率が大きく、媒質の屈折率を１．５とした図１１の計算結果では、Ｐ偏光は入射角度が約５５度で反射率がほぼ０％となっている。このＰ偏光の反射率が０％となる角度がブリュースター角と呼ばれるものである。このブリュースター角について、自然光に対して、平板を所定の角度で配置することで、Ｓ偏光のみを反射させ、Ｐ偏光を全て透過することができる。尚、入射角度α＝０度の場合は、偏光による差は無く、反射率＝｛（Ｎ−１）・（Ｎ＋１）｝²＝４％となる。

次に、図１２を用いて、投射系ミラーとしての自由曲面ミラーを有する投射光学系と、クロスプリズムの配置の関係について説明する。なお、自由曲面ミラーを有する投射光学系の例は、特許文献３において開示されている。図１２で、映像表示素子２Ｒを出射する赤色光と、映像表示素子２Ｇを出射する緑色光と、映像表示素子２Ｂを出射する青色光は、ダイクロイック膜を十字状に内包するクロスプリズム３によって色合成される。色合成された赤色光・緑色光・青色光は、屈折系レンズ１１で屈折作用を、そして、投射系ミラー１２としての自由曲面ミラーで反射作用を受けで、像面３０に投射される。

ここで、３色の色光を合成するクロスプリズム３においては、１色に対しては透過作用を、残りの２色に対しては反射作用を持つ。従って、図１１の結果を図１２の映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂの配置に適用すると、赤色をＳ偏光、緑色をＰ偏光、青色をＳ偏光として色合成することが望ましいことがわかる。

このクロスプリズム３においては、十字状のダイクロイック面の法線がＸＺ平面内に存在するのに対して、投射系ミラー１２と像面３０の法線はＹＺ平面内に存在する。従って、クロスプリズム３でＳ偏光であった赤色光・青色光は投射系ミラー１２と像面３０ではＰ偏光となり、逆に、クロスプリズム３でＰ偏光であった緑色光は投射系ミラー１２と像面３０ではＳ偏光となる。

特許文献１では、透過型スクリーン固有の偏光特性（フレネルレンズ）と、入射光の偏光状態の組合せで色ムラが発生することを指摘し、位相差が５０００ｎｍの位相板を配置することで擬似的に無偏光状態とし、色ムラを改善する方法が開示されている。

特許文献２の図１と図２では、プロンプター（観察装置）に用いた４５度配置のハーフミラーでの反射率の差が波長５５０ｎｍで約１７％（＝Ｓ偏光約２２％−Ｐ偏光約５％）あり、色ムラが発生することを指摘し、波長板を配置することで、色ムラを改善すると開示している。また、特許文献２の図４と図５では、投射光学系に自由曲面ミラーを用いた場合でも、１面あたりの反射率の差が約２％（＝Ｓ偏光反射率約９９．５％−Ｐ偏光反射率約９７．５％）ではあるが、反射面が計６面では色ムラが生じると記載し、同様に、波長板を配置することで色ムラを改善できると開示している。ここで、計６面での反射率の差を具体的に計算してみると、０．９９５⁶−０．９７５⁶＝０．１１１、即ち１１％の差で色ムラが生じたことになる。

一方で、投射距離を短くした超広角な投射光学系として、像面に対して斜めから投射する斜投射方式の投射光学系が、例えば、特許文献３において開示されている。特許文献３の図１１の光線図での入射角度の最大値が約５６度と読み取れる。この値は、像面の矩形状の表示領域の上端の入射角度になるので、像面の矩形状の表示領域の対角部での入射角度はそれより大きく約６０度の値となる。

上記で説明した斜投射方式の場合、像面中央ですでに入射角度が５６度を越えており、像面でのＰ偏光とＳ偏光の反射率（透過率）の差は、従来の投射型映像表示装置よりも大きくなる。図１３のように、テーブル４０上に水平に配置した投射型映像表示装置２０で、壁面５０などの垂直面へ映像を投射する場合は、入射角度の大きい映像光の正反射光（Ｌ３）は天井６０に向かって反射するので、観察者がその反射光を観察することはない。像面に対して略正対した観察者が見る映像光は（Ｌ１とＬ２）、壁面５０で乱反射した光となので、赤色・緑色・青色ともほぼ無偏光状態の映像光を観察することになるので、各色での反射率の差はなくなり、色ムラを観察することはない。

しかしながら、図１４のように、テーブル４０上に垂直に配置した投射型映像表示装置２０で、テーブル４０の表面へ映像を投射する場合は、入射角度の大きい映像光の正反射光（Ｌ３）を観察者が見ることが可能であり、像面３０でＳ偏光である緑色の反射率が大きくなり、緑色の色ムラが生じた映像光が観察される。

本発明は、上記の事情に鑑み、テーブル等の水平面に映像を投射した場合でも、色ムラの目立たない投射型映像表示装置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、本発明は、光源ユニットと、色分離手段を含む照明光学系と、複数の映像表示素子と、色合成手段としてのクロスプリズムと、像面への入射角度５５度以上である投射光学系を有する投射型映像表示装置において、投射型映像表示装置を縦置き設置して映像を水平面に表示可能な構造体を備え、前記クロスプリズムと投射光学系の間、若しくは、投射光学系の中に、偏光変換手段を設ける。

上記構成とすることで、像面でのＰ偏光とＳ偏光による反射率の差による色ムラの発生を抑えることができるので、テーブル等の水平面に映像を投射できる投射型映像表示装置を提供できる。

本発明によれば、従来よりも特性改善を図った投射型映像表示装置を提供できるものとなる。

本実施例の投射型映像表示装置の投射光学系の基本構成図の一例。 水平面への映像表示での本発明の実施例の全体構成図。 偏光変換手段の作用の説明図。 像面での入射角度の説明図。 非透明媒質での反射率の偏光特性の説明図。 反射ミラーでの入射角度の説明図。 曲率半径の異なる光学モデル図。 反射光束の拡散性の違いを表す図。 入射面とＰ偏光・Ｓ偏光の関係図。 照明光学系の構成図。 透明媒質での反射率の偏光特性の説明図。 従来技術での偏光状態の説明図。 垂直面への映像表示での色ムラの説明図。 水平面への映像表示での色ムラの説明図。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明の実施例についてテーブル等の水平面への映像の投射を行った投射光学系における、投射系ミラー１２への入射角度及び、像面３０への入射角度の計算結果を図４と図５に示す。図４と図５では、像面３０における矩形状の映像範囲を９分割したそれぞれの中央位置に到達する主光線の入射角度を示している。

図５の投射系ミラー１２での９分割した代表点での入射角度は、２３度から４６度の値となり、光路に対して４５度の角度で配置した従来の光路折り曲げミラーでの入射角度と大差が無いことがわかった。一方、図４の像面３０での９分割した代表点での入射角度は、３９度から６６度と、４５度より大きな値であることがわかった。像面３０全体では、像面の対角位置（図４で６６度に近い隅）での入射角度が７０度弱の値となった。

そこで、最初に、非透明な媒質での反射率について、Ｐ偏光とＳ偏光での入射角度の違いによる反射率特性の確認のために計算を実施した。非透明な媒質の複素屈折率ｎ＋ｋｉを用いて、Ｐ偏光の反射率およびＳ偏光の反射率は、数３による補助数ａとｂを用いて数２で定まる。

（数２）
Ｒ_S＝{(ａ−cosΦ)²＋ｂ²}／{(ａ＋cosΦ)²＋ｂ²}
Ｒ_P＝Ｒ_S・{(ａ−sinΦtanΦ)²＋ｂ²}／{(ａ＋sinΦtanΦ)²＋ｂ²}

（数３）
ａ²＝{√((ｎ²−ｋ²−sin²Φ)²＋４(ｎｋ)²)}／２＋(ｎ²−ｋ²−sin²Φ)²
ｂ²＝{√((ｎ²−ｋ²−sin²Φ)²＋４(ｎｋ)²)}／２−(ｎ²−ｋ²−sin²Φ)²
例えば、アルミニウムの複素屈折率の値０．６５＋５ｉ（共立出版の基礎物性図表）を用いて計算した結果を、図６に示す。

入射角度４５度の場合は、Ｓ偏光とＰ偏光での反射率の差は６％しかないが、入射角度５５％では差が１０％となり、さらに、入射角度が７０度の場合では反射率の差は１８％と、特許文献２での反射率の差を超えており、従って、像面でのＰ偏光とＳ偏光の反射率の差だけでも色ムラが発生することがわかった。

図６は、アルミニウムでの反射率であるが、先に説明している図１１の透明な媒質での反射率についても、入射角度７０度ではＰ偏光とＳ偏光の反射率の差は２６％もあり、媒質等の違いで値が変わっても、７０度と大きな入射角度では、大きな反射率の差が生じることが分かる。

次に、図１から図３を用いて、本発明の実施例の具体的な構成、及び、作用について説明する。

先ず、図１と図２と図３（１）は、本発明の実施例１の要部について説明するものである。

図１は、後述する照明光学系を省略し、映像表示素子２から像面３０までの偏光状態を説明する基本構成図である。各色用の映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂを透過した映像光は、クロスプリズム３で色合成された後で、屈折系レンズ１１と投射系ミラー１２からなる投射光学系１によって、像面３０に拡大投射される。図１（１）がＸＺ断面図、図１（２）がＹＺ断面図である。

上述したように、Ｇ色光用の映像表示素子２Ｇを透過したＧ色光は、色合成手段としてのクロスプリズム３を透過するので、Ｇ色光はクロスプリズム３に対してＰ偏光とすることが望ましい。Ｒ色光用の映像表示素子２Ｒを透過したＲ色光と、Ｂ色光用の映像表示素子２Ｂを透過したＢ色光は、クロスプリズム３で反射するので、クロスプリズム３に対してＲ色光とＢ色光はＳ偏光とすることが望ましい。尚、クロスプリズム３に対するＰ偏光は、投射系ミラー１２と像面３０にとってはＳ偏光となり、クロスプリズム３に対するＳ偏光は、投射系ミラー１２と像面３０にとってはＰ偏光となる。

この構成において、クロスプリズム３の出射面に偏光変換手段４としての１／４波長板を配置することで、Ｐ偏光のＧ色光、Ｓ偏光のＲ色光・Ｂ色光を、それぞれ、円偏光とし像面３０に投射することができる。

図２は、この投射型映像表示装置２０を構造体２１を介して垂直に縦置きとして、テーブル等の水平面を像面３０として投射した基本構成図である。なお、構造体２１は、投射型映像表示装置２０と一体構造でも、別部品を取り付ける構造で良い。Ｌ１は乱反射光となるので各色光の偏光状態による色ムラはそもそも発生しない。Ｌ２は乱反射光に加え、正反射光の成分も存在するが、入射角度が小さいので、仮に、各色光の偏光状態が異なっても色ムラは発生しない。最後に、Ｌ３は正反射光の成分が多いので、各色光で偏光状態が異なると像面３０での反射率の差で色ムラが発生するが、クロスプリズム３の出射面に偏光変換手段４としての１／４波長板を配置したことにより、各色光をそれぞれ円偏光化しており、Ｒ色光・Ｇ色光・Ｂ色光の入射角度による反射率の差がほとんどなく、Ｌ３の反射光についても色ムラが発生しない。

次に、各色光の偏光変換作用について、図３（１）を用いて詳細に説明する。図３（１）は、クロスプリズム３を出射した第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光（Ｐ偏光光とＳ偏光光）のそれぞれの偏光軸に対して、斜め４５度方向に偏光軸を有する１／４波長板を配置することで、第１の直線偏光と第２の直線偏光を円偏光に変換している。第１の直線偏光から変換された円偏光と、第２の直線偏光から変換された円偏光は、厳密には、回転方向がそれぞれ異なる円偏光となるが、像面３０での各色光の反射率は等しい。

なお、上記の映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂを照明する照明光学系について、図１０を用いて説明する。図１０で、光源ユニット１０１は発光部である管球１０１ａと反射面としてのリフレクタ１０１ｂからなる。楕円形状のリフレクタ１０１ｂの第１焦点位置に配置した管球１０１ａから出射した光束は、リフレクタ１０１ｂの第２焦点位置に集光するように反射する。光束サイズが小さくなった集光光束は、平行化作用を有する凹レンズ１０２により平行光束に変換される。なお、リフレクタ１０１ｂを放物面形状とした場合は、平行化作用としての凹レンズ１０２は不要となる。

凹レンズ１０２を出射した平行光束は、第１マルチレンズアレイ１０３ａの各セルレンズにより部分光束に分割されて、第１マルチレンズに対応した第２マルチレンズアレイ１０３ｂの各セルレンズ上に集光する。集光した各部分光束は、直線偏光化手段１０４で一旦、振動方向が直交する２つに直線偏光に分離され、一方の直線偏光の振動方向を他方の振動方向に合わせることで、振動方向が一方向の直線偏光に変換される。直線偏光化手段１０４を出射した各部分光束は、重畳レンズ１０５により各色用の映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂに重畳して照射される。なお、重畳レンズ１０５と映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂの間の光路には、光路を折り曲げるための反射ミラー１０６ａ・１０６ｂ・１０６ｃ・１０６ｄと、色分離光学手段としてのダイクロイックミラー１０７ａ・１０７ｂ、そして、各映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂの手前には、投射光束の主光線を平行化するコリメータレンズ１０８Ｒ・１０８Ｇ・１０８Ｂが配置される。光路長の異なる赤色の光路には、重畳した光束を赤色用の映像表示素子２Ｒの位置に写像するためのリレーレンズ１０９・１１０を配置している。

次に、図１と図２と図３（２）を用いて、本発明の実施例２について説明する。実施例１との違いは、偏光変換手段４として、１／４波長板の代わりに１／２波長板をクロスプリズム３に出射面に配置したことである。

図２の光線図において、実施例１では、偏光変換手段４を透過した各色光は円偏光となっていたが、実施例２では、各色光は、振動方向が４５度と−４５度の２種類の直線偏光となっている点が異なる。

即ち、像面３０の法線と、入射光線を含む平面で定義される入射面に対して、４５度傾いた振動方向の直線偏光は、Ｐ偏光とＳ偏光のベクトル成分に２分される。同様に、−４５度傾いた振動方向の直線偏光についても、Ｓ偏光とＰ偏光のベクトル成分に２分される。従って、結果的に各色光の偏光状態が同等となる。

次に、各色光の偏光変換作用について、図３（２）を用いて詳細に説明する。図３（２）は、クロスプリズム３を出射した第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光（Ｐ偏光光とＳ偏光光）に対して、第１の直線偏光に対して斜め６７．５度方向に偏光軸を有する１／２波長板を配置することで、第１の直線偏光は振動軸が１３５度回転した第１１の直線偏光に変換される。この位置関係は、第２の直線偏光にとっては、２２．５度方向に偏光軸を有する１／２波長板となるので、第２の直線偏光の振動軸が４５度回転した第１２の直線偏光に変換される。

光源ユニット１０１から各映像表示素子２Ｒ・２Ｇ・２Ｂまでの照明光学系の構成は、実施例１と同じなので、説明を省略する。

図７から図９を用いて、本発明の実施例３について説明する。

偏光状態がＰ偏光とＳ偏光で異なる各色光を像面３０に投射した際に、偏光状態の違いによる反射率の差で色ムラが発生することを説明してきた。しかし、偏光状態に関しては、像面３０の表面を細かい凹凸面とすることで、各色光の偏光状態を結果的に無偏光状態に変換することができる。

図７は、像面３０の表面に凸レンズを２次元アレイ状に配置した光学モデルで、各凸レンズの曲率半径が小さい光学モデルと、曲率半径が大きい光学モデルをそれぞれ並べた斜視図である。

図８は図７の光学モデルに同じ大きさの平行光束を入射した場合での反射光束の広がりを表した図であるが、曲率半径の小さい光学モデルでは拡散性が大きく、曲率半径の大きい光学モデルでは拡散性が小さいことが分かる。

次に、無偏光化の具体的な作用について、図９を用いて説明する。凸レンズの光軸と平行な光束を入射させた場合、凸レンズの点Ａに入射した光線にとっては、法線を含む入射面はＹＺ平面となる。一方、凸レンズの点Ｂに入射した光線にとっては、法線を含む入射面はＸＺ平面となる。この２つの入射面は互いに直交した位置関係にあるので、同じ平行光束が入射しても、点ＡでのＰ偏光は点ＢではＳ偏光、逆に、点ＡでのＳ偏光は点ＢでのＰ偏光となる。従って、像面３０上にこのような凸レンズを微小な形状として多数配置することで、像面３０に対して映像光が結果的に無偏光状態（乱反射）で反射することができる。

上述した本発明の実施例では、像面への入射角度が大きな投射型映像表示装置において、クロスプリズムを出射した各色光の偏光状態を、偏光変換手段により、結果的に同等とすることで、映像を水平面上に投射しても、色ムラの発生しない投射型映像表示装置を提供できる。

１…投射光学系、１１…屈折系レンズ、１２…投射系ミラー、２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ…映像表示素子、３…クロスプリズム、４、４ａ、４ｂ…偏光変換手段、２０…投射型映像表示装置、２１…構造体、３０…像面、４０…テーブル、５０…壁面、６０…天井、７０…拡散面、１０１…光源ユニット、１０１ａ…管球、１０１ｂ…リフレクタ、１０２…凹レンズ、１０３ａ、１０３ｂ…マルチレンズアレイ、１０４…直線偏光化手段、１０５…重畳レンズ、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ…反射ミラー、１０７ａ、１０７ｂ…ダイクロイックミラー、１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂ…コリメータレンズ、１０９、１１０…リレーレンズ。

Claims (3)

1. 光源と、
   色分離手段を含む照明光学系と、
   複数の映像表示素子と、
   色合成手段としてのクロスプリズムと、
   投射光学系と、を備える投射型映像表示装置において、
   前記投射光学系は、前記映像表示素子からの光を像面の方向へ反射する投射系ミラーを備えると共に、前記投射型映像表示装置を設置した平面上に映像を投射する時の、前記像面中央へ到達する主光線の当該像面中央への入射角度が、前記投射系ミラー中央へ到達する主光線の当該投射系ミラー中央への入射角度より大きくなるように構成され、更に、
   前記クロスプリズムと投射光学系の間、若しくは、投射光学系の中に、偏光変換手段を備える、投射型映像表示装置。
2. 前記偏光変換手段は、１／４波長板である、請求項１記載の投射型映像表示装置。
3. 前記像面の曲率半径が小さいほど、前記像面に入射する光束が反射した時の、当該光束の広がりが大きい、請求項１又は２記載の投射型映像表示装置。

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