JP3615869B2 - 液晶投影装置およびこれを用いた投影表示システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カラー映像を投影する液晶投影装置、およびこれを用いた投影表示システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラー液晶投影装置は、白色光源からの光束をダイクロイックミラーを用いてＢＧＲ（青、緑、赤）の３つの波長成分に分解し、それぞれの色成分用の液晶パネルを透過させた後、これらを合成してスクリーンに投影するよう構成されている。
例えば、特開平５−２７２０３号公報には、偏光状態がランダムな白色光源から発する光束を偏光合成素子を用いて単一方向の直線偏光に揃え、この直線偏光をダイクロイックミラーで色分解して各波長用の液晶素子に入射させる投影装置が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の液晶投影装置は、各色成分用の液晶パネルの解像度が同一であるため、スクリーン上に形成される画像の解像度を高くしたい場合には３つの液晶パネルの解像度を全て高くしなければならず、コストがかかるという第１の問題点を有している。
【０００４】
この発明の第１の目的は、上記の従来技術の第１の問題点を解決し、比較的安いコストで投影される画像の解像度を高くすることができる液晶投影装置を提供することにある。
【０００５】
なお、液晶パネルの解像度を高くすると、画素のピッチが細かくなるために透過部分の面積が全体に占める割合が相対的に低くなり、全体の透過率が低下する。したがって、解像度を高くしてスクリーン上に投影される画像の明るさを保つためには、液晶パネルに入射する光量を増加させる必要がある。ただし、液晶パネルに入射させる直線偏光を作るために偏光板を利用すると、入射光量を増加させるために光源の発光量を増加させる必要があり、光源と偏光板での吸収による発熱とが大きくなり、液晶パネルに反応速度の低下や寿命の短縮等の悪影響が生じる。
【０００６】
上記の公報に記載された装置は、直線偏光を得るために偏光板を利用せず、光量損失のない偏光合成素子を用いているため、この素子での発熱は抑えられる。しかしながら、上記公報の偏光合成素子では、光束が射出される２つの端面が、一方の対角線が一直線となるよう１つの頂点で接する正方形となるため、素子から射出される２光束が空間的に離れ、これらを同一の液晶パネルに入射させるために必要となる光束を合成する光学系の径が射出される光束の径と比較して大きくなるという第２の問題点を有している。
【０００７】
この発明の第２の目的は、上記の従来技術の第１、第２の問題点を解決し、比較的安いコストで投影される画像の解像度を高くすることができ、しかも、偏光方向を揃える光学素子を射出した光束を合成するための光学系の径を射出光束の径と比較して小さくすることができる液晶投影装置を提供することにある。
【０００８】
さらに、上記公報にはスクリーンの詳細についての説明がないことから、一般的な白色の反射スクリーンが用いられていると考えられるが、白色の反射スクリーンは投影光と同様に外光も反射させるため、投影画像のコントラストを高めるためには部屋を暗くするなどの措置をとる必要がある。液晶投影装置とスクリーンとをシステムとして捉えた場合、従来のシステムは、暗い部屋で明るい画像を見るために目が疲労しやすという第３の問題点を有している。
【０００９】
この発明の第３の目的は、上述した従来技術の第１、第３の問題点を解決し、比較的安いコストで投影される画像の解像度を高くすることができ、しかも、室内を暗くしなくとも高いコントラストで投影画像を見ることができる投影表示システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記の第１の目的を達成させるため、緑、青、赤の各波長成分の光束を、直線偏光としてそれぞれ緑、青、赤用の画像形成用液晶強度変調素子に入射させ、該液晶強度変調素子を透過した光束を投影光学系によりスクリーン上に投影してカラー画像を形成する液晶投影装置において、緑用の液晶強度変調素子の解像度を、青用、赤用液晶強度変調素子の解像度より高く設定したことを特徴とする。
【００１１】
人の視感度は青、緑、赤の３原色の中では緑に対して最も高いため、緑色成分の解像度を上げるのみでも、人の眼には全色成分の解像度を上げた場合とほぼ同等にカラー画像の解像度が上がったように認識される。
【００１２】
請求項１の発明はさらに、上記の第２の目的を達成させるため、液晶強度変調素子に入射させる偏光を揃える偏光変換手段として、互いに直交する入射端面と射出端面とを有するプリズムを用いたことを特徴とする。このプリズムは、入射端面とのなす角度が４５°となり、かつ、射出端面に直交するよう配置され、入射端面から入射した光束を２つの直線偏光成分に分離する偏光分離面と、入射端面および射出端面に対してなす角度が共に４５°となり、偏光分離面を透過した光束を射出端面側に裏面反射させる第一反射面と、入射端面に直交すると共に、射出端面とのなす角度が４５°となるよう配置され、偏光分離面で反射された光束を射出面側に裏面反射させる第２反射面とを備え、第１反射面、第２反射面および偏光分離面が一直線上で交差すると共に、その交線がプリズムの稜線の一部をなすことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる液晶投影装置およびこれを用いた投影表示システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、実施例１にかかる液晶プロジェクターの光学系の構成を示す説明図である。
実施形態の液晶プロジェクターは、偏光状態がランダムな白色光を発する光源部６０と、光源部６０から発した光束の偏光方向を所定の直線偏光に変換する偏光変換素子Ａと、この偏光変換素子Ａにより偏光方向が揃えられた直線偏光を色分解する色分解手段２０と、色分解された各色成分を透過させる青（Ｂ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）色成分用の３つの画像形成液晶強度変調素子である液晶パネル３１，３２，３３と、それぞれの液晶パネルを透過した光束を合成する合成手段４０と、合成された光束をスクリーン５０上に投影する投影光学系としての投影レンズ５１とを備えている。偏光変換素子Ａと色分解手段２０との間の光路中には、偏光変換手段Ａから射出される光束を重ね合わせるためのコンデンサレンズ７０が配置されている。
【００１６】
光源部６０は、キセノンランプ等の偏光状態がランダムな白色光を発する光源６１と、この光源６１から発した光束を一方側へ反射させる凹面鏡６２とから構成される。偏光変換素子Ａは、入射端面４から入射する光源部６０からの光束を一旦電界ベクトルの振動方向が互いに直交する２つの直線偏光成分に分離した後、反射面１と後述する他の反射面とでの反射によりこれらの直線偏光の方向を揃えて射出端面５から射出させる。すなわち、偏光変換素子Ａから射出される光束は、電界ベクトルの振動方向が一定方向に揃えられた単一の直線偏光である。
【００１７】
色分解手段２０は、青色成分と緑色成分との境界となる青−緑境界波長λ１より短波長側の成分を反射させる分光特性を有する第１のダイクロイックプリズム２１と、緑色成分と赤色成分との境界となる緑−赤境界波長λ２より長波長側の成分を反射させる分光特性を有する第２のダイクロイックプリズム２２とから構成される。
【００１８】
偏光変換素子Ａから射出された白色の光束は、第１のダイクロイックプリズム２１に入射し、青色成分の波長域の光が反射されると共に、緑、赤色成分の光が透過する。次に、第２のダイクロイックプリズム２２に入射すると、赤色成分の光が反射され、緑色成分の光が透過する。第２のダイクロイックプリズム２２を透過した緑色成分の光は、第１のミラー２３で反射される。
【００１９】
各ダイクロイックプリズムは、２つの直角プリズムをその斜面で貼り合わせることにより形成され、貼り合わせ面が光束分離面として機能するよう構成されている。偏光変換素子Ａは、射出される直線偏光が各ダイクロイックプリズムの光束分離面に対してＳ偏光で入射するよう配置されている。色分解用の光束分離面を設計する際、入射偏光がＳ偏光である方が設計が容易であるため、上記の配置はダイクロイックプリズムの設計の負担を軽減する。
【００２０】
第１のダイクロイックプリズム２１で反射された光束は、青色成分用液晶パネル３１に入射し、第２のダイクロイックプリズム２２で反射された光束は、赤色成分用液晶パネル３２に入射し、第１のミラー２３で反射された光束は緑色成分用液晶パネル３３に入射する。
【００２１】
各色成分用の液晶パネルは、二次元的に配列した画素行列を有しており、図示せぬ駆動回路により各色毎の画像信号にしたがって各色成分の画像を形成するよう画素単位でＯＮ／ＯＦＦ駆動される。なお、緑色成分用の液晶パネル３３は、分解能が他の２つの液晶パネル３１，３２より高くなるよう設定されている。例えば、緑色成分用の液晶パネル３３の画素数が５１２×１０２４、青色、赤色成分用の液晶パネル３１，３２の画素数は２５６×５１２に設定される。
前述したように人の視感度が最も強い緑成分の解像度のみを他の色成分用の液晶パネルの解像度より高く設定することにより、装置全体のコストを極端に引き上げずに視認上解像度の高い画像を投影することができる。
【００２２】
それぞれの液晶パネルを透過した光束は、色分解手段２０と同様に青色成分を反射させる第３のダイクロイックプリズム４１と、赤色成分を反射させる第４のダイクロイックプリズム４２とから構成される合成手段４０で合成される。すなわち、第２のミラーで反射された緑色成分と赤色成分とは、第４のダイクロイックプリズム４２で合成され、この合成された光束と青色成分とは第３のダイクロイックプリズム４１で合成される。各色成分が合成された光束は、投影レンズ５１を介してスクリーン５０上に投影され、スクリーン５０上にカラー画像が形成される。
【００２３】
スクリーン５０は、投影レンズ５１により投影される光の偏光方向に一致する直線偏光に対する反射率が、他の方向の直線偏光に対する反射率より大きい偏光特性を有する偏光スクリーンである。このような偏光スクリーンは、アルミ層上に偏光板に相当する層を積層して構成され、入射する光束のうち偏光板層の透過軸に一致する直線偏光成分をほぼ１００パーセント反射させると共に、透過軸と直交する直線偏光成分を吸収する。したがって、偏光状態がランダムな外光の反射率は約５０パーセントになるのに対し、投影光の反射率はほぼ１００パーセントになる。
【００２４】
一般の偏光特性を持たないスクリーンでは外光に対する反射率と投影光に対する反射率とが等しいため、これと比較すると、偏光スクリーンを用いることにより画像のコントラストを約２倍にすることができる。したがって、投影装置を使用する室内を暗くするなどの措置をとらずに画像のコントラストを高めることが可能となる。
【００２５】
なお、色分解の順序は、上記の実施形態に示されるようなＢ，Ｒ，Ｇの順番には限定されず、Ｂ，Ｇ，Ｒの順序、Ｒ，Ｇ，Ｂの 順序、Ｒ，Ｂ，Ｇの順序の何れを選択してもよい。理論的には緑色成分のみを反射させるダイクロイックプリズムを最も光源側に配置することも可能であるが、波長域として中間となる緑色成分を選択するためには、分光反射特性のバンド幅を調整して、青−緑境界波長λ１と緑−赤境界波長λ２との両側のエッジを正確に定める必要がある。しかしながら、分光反射特性のバンド幅を調整することは、薄膜技術としては難易度が高く、コストがかかる。
【００２６】
このため、この実施形態では、最も光源側に、緑色成分以外の波長域、すなわち、青色成分あるいは赤色成分を反射させるダイクロイックプリズムを配置する。青色成分を反射させるためには、青−緑境界波長のエッジさえ正確であれば、短波長側は可視域をカバーしさえすれば紫外域まで反射させてもよいし、反対に赤色成分を反射させるためには、緑−赤境界波長のエッジさえ正確であれば、長波長側は可視域をカバーしさえすれば赤外域まで反射させてもよい。
【００２７】
次に、図２〜図４に基づき、偏光変換素子Ａの詳細について説明する。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、偏光変換素子Ａをそれぞれ異なる角度から見た場合の斜視図である。
【００２８】
この偏光変換素子の全体的な形状は、正方形を底面とする四角錐であり、その先端側の頂点が底面の１つの頂点に立てられた法線上で正方形の一辺の長さと等しい高さを持つ。図中下側となる先端側の頂点Ｏを原点として入射光線の方向を基準として座標を取ると、射出端面を規定する他の４つの頂点の座標は、ｋを任意の定数として、（０，ｋ，０），（０，ｋ，ｋ），（ｋ，ｋ，ｋ），（ｋ，ｋ，０）となる。
【００２９】
四角錐の直角二等辺三角形となる２つの側面の一方が入射端面４とされ、これと直交する正方形の底面が射出端面５とされる。偏光分離面３は、図中でハッチングを付して示したように、入射端面４とのなす角度が４５°、射出端面５とのなす角度が９０°となるよう配置されている。
【００３０】
また、第１反射面１は、偏光分離面３とのなす角度が６０°、入射端面４および射出端面に対してなす角度が共に４５°となるよう配置され、第２反射面２は、第１反射面１に対して１２０°をなし、入射端面４に直交し、射出端面５に対してなす角度が４５°となるよう配置されている。第１、第２反射面１，２と偏光分離面３とは一直線上で交差し、この交線が素子の稜線の一部を構成している。各面を座標系を用いて表現すると、以下の通りとなる。
【００３１】
第１反射面 ｘ＝ｙ 第２反射面 ｙ＝ｚ
偏光分離面 ｘ＝ｚ 入射端面 ｘ＝０
射出端面 ｙ＝ｋ （ｋ：定数）
【００３２】
なお、ここでいう「入射端面」は、物理的に存在するプリズムの１面であり、反射光、偏光方向の説明の際に用いた仮想的な「入射面」とは明確に区別される。
【００３３】
上記のような形状のプリズム型の偏光変換素子は、図３に示すような２つの対称形の４面体の第１、第２プリズム１０，１１を貼り合わせることにより形成することができる。ただし、偏光変換素子の形状は上記に限定されず、同等の入射、射出端面、偏光分離面を有する限り、光束の通らない部分をカットしてよりコンパクトな形状とすることも可能である。
【００３４】
第１プリズム１０は、入射端面４、偏光分離面３、第２反射面２、射出端面５の一部をなし、第２プリズム１１は、偏光分離面３、第１反射面１、射出端面５の一部をなす。これらの第１、第２プリズム１０，１１を偏光分離面３どうしを貼り合わせて接合することにより、偏光変換素子Ａを構成することができる。
【００３５】
偏光変換素子Ａを使用する際には、図２に示されるように、入射端面４に対して垂直に光を入射させる。これにより、光は偏光分離面３に対する入射角度が４５°となり、かつ、第２反射面２と平行に入射する。光線の入射ポイントをＰ０とすると、光は点Ｐ１で偏光分離面３に入射し、透過光は第１反射面１の点Ｐ２で反射され、反射光は第２反射面２上の点Ｐ３で反射される。それぞれの反射面１，２で反射された光線は、射出端面５上の点Ｐ４，Ｐ５から射出する。各反射面での反射光は偏光分離面３の入射面に対して垂直となり、かつ、射出端面５は偏光分離面３の入射面と平行であるため、２つの射出光は射出端面５に対して垂直に射出する。
【００３６】
偏光分離面３を透過したＰ偏光成分は、ｚ軸方向に振動しており、第１反射面１で反射された際にも振動方向は変化せず、射出光もｚ軸方向の振動成分となる。一方、ｙ軸方向に振動するＳ偏光成分は、第２反射面２で反射された際にその振動方向がｚ軸方向に変換され、射出光はｚ軸方向の振動成分となる。したがって、偏光方向がｚ軸方向に揃った２つの射出光は、入射方向に対して垂直なｙ軸と平行な方向に向けて射出される。
【００３７】
図４は、実施例１の偏光変換素子Ａの入射光束の範囲と射出光束の範囲とを示す説明図である。入射端面４上でハッチングで示した正方形内から入射させた光束は、射出端面５上でハッチングで示した長方形内から射出される。射出光の範囲を示す長方形は、入射光束の範囲を示す正方形を２つ並列した形状である。
【００３８】
偏光変換素子Ａを図１の実施形態のように液晶投影装置の光学系に用いる場合、投影装置の投影画面は一般に長方形であるため、図４に示したように光束をほぼ正方形の範囲に入射させることで光束を無駄なく用いることができる。特に、ハイビジョン画面のような縦横比が１：２に近い画像を投影するためには、上記の構成が望ましい。
【００３９】
ただし、投影される画像の縦横比が１：１に近い場合には、入射光を長方形の範囲に入射させることにより射出光の範囲を正方形にすることもできる。入射光束の縦横比を任意に設定することにより、射出光束の縦横比を調整することができる。図１の実施形態では、射出光束の縦横比を調整するためにコンデンサレンズ７０が設けられている。このコンデンサレンズ７０は設けられなくとも良いし、あるいは、コンデンサレンズに加えてフライアイレンズを配置しても良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、緑色成分用の液晶強度変調素子の解像度を他の色成分用の解像度より高めることにより、比較的低いコストでスクリーン上に形成される画像の視認上の解像度を上げることができる。この際、所定構造のプリズム型の偏光変換素子を用いることにより、偏光方向を揃える手段の構成を簡略化し、素子数や配置スペースを抑えることができる。さらに、被投影面に偏光スクリーンを用いた場合には、部屋を暗くするなどの措置をとることなくスクリーン上に投影される画像のコントラストを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態にかかる液晶投影装置の光学系を示す説明図である。
【図２】図１の光学系に用いられる偏光変換素子の構成を示す斜視図である。
【図３】図１の光学系に用いられる偏光変換素子を構成するプリズムの分解斜視図である。
【図４】図１の光学系に用いられる偏光変換素子における入射光束の範囲と射出光束の範囲とを示す斜視図である。
【符号の説明】
６０ 光源部
６１ 光源
６２ 凹面鏡
２０ 色分解手段
２１，２２ ダイクロイックプリズム
２３ 第１のミラー
３１，３２，３３ 色成分用液晶パネル
４０ 合成手段
４１，４２ ダイクロイックプリズム
４３ 第２のミラー
５０ スクリーン
５１ 投影レンズ
Ａ 偏光変換素子

Claims (8)

1. 偏光状態がランダムな白色光を偏光変換手段により所定の偏光方向を持つ直線偏光に変換し、該直線偏光を色分解手段で緑、青、赤の各波長成分に分解してそれぞれ緑、青、赤用の画像形成用液晶強度変調素子に入射させ、該液晶強度変調素子を透過した光束を投影光学系によりスクリーン上に投影してカラー画像を形成する液晶投影装置において、
   前記緑用の液晶強度変調素子の解像度が、前記青用、赤用液晶強度変調素子の解像度より高く設定され、前記偏光変換手段は、互いに直交する入射端面と射出端面とを有するプリズムであって、前記入射端面とのなす角度が４５°となり、かつ、前記射出端面に直交するよう配置され、前記入射端面から入射した光束を２つの直線偏光成分に分離する偏光分離面と、前記入射端面および前記射出端面に対してなす角度が共に４５°となり、前記偏光分離面を透過した光束を前記射出端面側に裏面反射させる第一反射面と、前記入射端面に直交すると共に、前記射出端面とのなす角度が４５°となるよう配置され、前記偏光分離面で反射された光束を前記射出面側に裏面反射させる第２反射面とを備え、前記第１反射面、前記第２反射面および前記偏光分離面が一直線上で交差すると共に、該交線が前記プリズムの稜線の一部をなすことを特徴とする液晶投影装置。
2. 前記色分解手段は、前記偏光変換手段を射出した光束の赤色成分を分離して前記赤色用の液晶強度変調素子に入射させる赤色用分離素子と、青色成分を分離して前記青色用の液晶強度変調素子に入射させる青色用分離素子とが前記偏光変換手段側から順に配置されて構成され、前記緑色用の液晶強度変調素子は、前記各色成分用分離素子により分離されなかった緑色成分が入射するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置。
3. 前記色分解手段は、前記偏光変換手段を射出した光束の青色成分を分離して前記青色用の液晶強度変調素子に入射させる青色用分離素子と、赤色成分を分離して前記赤色用の液晶強度変調素子に入射させる赤色用分離素子とが前記偏光変換手段側から順に配置されて構成され、前記緑色用の液晶強度変調素子は、前記各色成分用分離素子により分離されなかった緑色成分が入射するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置。
4. 前記色分解手段は、前記赤色成分および青色成分をそれぞれ分離する２つの分離素子を備え、前記緑色用の液晶強度変調素子は、前記各色成分用分離素子により分離されなかった緑色成分が入射するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置。
5. 前記色分解手段は、光束分離面を有する複数の分離素子により構成され、前記偏光変換手段は、前記光束分離面に対してS偏光で直線偏光が入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置。
6. 前記液晶強度変調素子と前記投影光学系との間に、前記各液晶強度変調素子を射出した光束を合成して前記投影光学系に入射させる合成手段が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置。
7. 前記プリズムは、正方形を底面とし、該正方形の一辺と等しい高さを有する四角錐であり、底面の４つの頂点のうちの１つを通る底面の法線上に第５の頂点が位置し、前記四角錐の２つの直角二等辺三角形となる側面の一方が前記入射端面とされ、前記正方形の底面が前記射出端面とされることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置。
8. 前記スクリーンとして、前記投影光学系により投影される光の偏光方向に一致する直線偏光に対する反射率が、他の方向の直線偏光に対する反射率より大きい偏光特性を有する偏光スクリーンを用いることを特徴とする請求項１に記載の液晶投影装置を用いた投影表示システム。

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