JP3953979B2 - ダイクロイックミラーホイールを用いた照明光学系およびこれを具備する画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系およびこれを具備する画像表示装置に係り、より詳細には、ダイクロイックミラーホイールを具備する照明光学系およびこれを具備する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来のカラーホイールを使用する単板式カラー画像表示装置の一例を示す図面である。
【０００３】
図１を参照すれば、従来のカラーホイールを使用する単板式カラー画像表示装置は、光源１００と、光源１００から入射する光をカラーホイールに集束する集束レンズ１０２と、集束された光を順次に画像表示装置の各色別画像信号に対応して色を分離するカラーホイール１０５と、カラーホイール１０５を通過して分離された各色光の光度の分布を均一にするフライアイレンズ１０７、１１０と、各色光を印加された映像信号に合せて光変調する画像表示素子１１２と、変調された光をスクリーン１１８に投射する投射レンズ１１５とを具備する。
【０００４】
カラーホイールを使用する従来の単板式カラー画像表示装置は、ランプ１００から入射するビームをカラーホイール１０５が回転しながら赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）および青色光（Ｂ）の順序に他の色の光は透過させずに各カラーフィルターの該当色光だけ透過させるので全体光量の２／３が損失されて光効率が落ちる短所を有する。
【０００５】
図２は、従来のダイクロイックミラーを使用する単板式カラー画像表示装置の一例を示す図面であり、図３は、図２のマイクロレンズアレイおよび液晶表示素子での光路を示す図面である。図面を参照すれば、従来のダイクロイックミラーを使用する単板式カラー画像表示装置は、ランプアークと、互いに傾いて配列された３枚のダイクロイックミラー２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４Ｂと、偏光変換器２０５と、マイクロレンズアレイ２０６と、液晶層２０７と、フィールドレンズ２０８と、投射レンズ２０９とを含んで構成される。
【０００６】
前記ランプアークは、白色光源のランプ２０２と、前記ランプ２０２の一方の側を覆うように設置された球面鏡２０１と、前記ランプ２０２から出射されて直接的に入射される発散光および前記球面鏡２０１から反射されて入射される発散光を集束して平行光に切り替えるコンデンサーレンズ２０３とよりなる。
【０００７】
前記ランプアークから出射された白色光は、３枚のダイクロイックミラー２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４ＢによりＲ、Ｇ、Ｂの三原色に分離される。ダイクロイックミラー２０４Ｒは前記ランプアーク側から入射される白色光のうちＲは反射させ、他の光は透過させる。ダイクロイックミラー２０４Ｇはダイクロイックミラー２０４Ｒを透過した色光のうちＧは反射させ、他の色光、すなわち、Ｂは透過させる。ダイクロイックミラー２０４ＢはＢを反射させる。
【０００８】
前記３枚のダイクロイックミラー２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４Ｂは互いにθだけ傾いていて扇骨状をなす。すなわち、ダイクロイックミラー２０４Ｇに対してダイクロイックミラー２０４Ｒは−θ、ダイクロイックミラー２０４Ｂは＋θだけ傾いて配置されている。ここで、＋は逆時計回り方向、−は時計回り方向を意味する。
【０００９】
したがって、Ｇの主光線に対してＲの主光線は−θ、Ｂの主光線は＋θだけ傾いた角でマイクロレンズアレイ２０６に入射される。
【００１０】
マイクロレンズアレイ２０６は、マイクロレンズ要素２０６ａ、２０６ｂが水平方向に配列されたものである。このマイクロレンズアレイ２０６は相異なる傾斜度で入射されるＲ、Ｇ、Ｂを画像表示素子２１１の信号電極２０７Ｒ、２０７Ｇ、２０７Ｂ上にストライプ状に集束する。
【００１１】
前記画像表示素子２１１は、２枚の透明なガラス基板２１２、２１３間に液晶層２０７が介された構造であって、液晶層２０７の両面には透明伝導膜２１４と信号電極２０７Ｒ、２０７Ｇ、２０７Ｂとがマトリックス構造で形成されている。
【００１２】
前記のように構成された従来の単板式カラー画像表示装置で、アークランプから入射される白色光は３枚のダイクロイックミラー２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４Ｂにより三原色に分離されて画像表示素子２１１の信号電極２０７Ｒ、２０７Ｇ、２０７Ｂに集束される。信号電極２０７Ｒ、２０７Ｇ、２０７ＢはＲ、Ｇ、Ｂの主光線の入射角差のため、水平方向に一定間隔で配列されるが、Ｒ、Ｇ、Ｂ信号電極２０７Ｒ、２０７Ｇ、２０７Ｂはサブピクセルであって、Ｒ、Ｇ、Ｂ信号電極２０７Ｒ、２０７Ｇ、２０７Ｂが集まって一つの映像ピクセルをなす。
【００１３】
前記のように単位マイクロレンズ１０ａにＲ、Ｇ、Ｂ三原色に該当する３つのサブピクセルが対応し、この３つのサブピクセルがフィールドレンズ２０８と投射レンズ２０９とによりスクリーン２１０に結像されれば、３つのサブピクセルがセットをなして一つの映像ピクセルに見える。したがって、視聴者は全体が映像ピクセルで構成されたカラー画像を見るようになる。
【００１４】
ところで、前記のような従来の単板式カラー画像表示装置は、３つのサブピクセルが１つの映像ピクセルをなすため、液晶表示素子の解像度が１／３に落ちる。したがって、例えば、特許文献１および特許文献２に開示されているカラーホイールを使用した投射型単板式画像表示装置と比較して、特許文献１及び特許文献２に開示されているように、同じ解像度を実現するためには画像表示素子２１１の物理的な解像度を３倍だけ大きくしなければならない。
【００１５】
したがって、前記のように、画像表示素子２１１の物理的解像度が３倍増加すれば、開口率が悪くなるために光効率が落ち、量産収率が減少して製造コストが上昇する問題点がある。また、画像表示素子２１１を物理的解像度が３倍になるように製造しなければならないために、画像表示素子２１１が大きくなりうるが、このように画像表示素子２１１を大きくすれば、コンデンサーレンズ２０３やフィールドレンズ２０８または投射レンズ２０９を大きく構成しなければならないために製造コストが上昇する問題点がある。
【００１６】
【特許文献１】
米国特許第５，６３３，７５５号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，１５９，４８５号明細書
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、時間的かつ空間的に光を分離して照明することによって光効率を高めうる軽薄短小な照明光学系を提供し、これを具備する低コストの高輝度高画質の画像表示装置を提供するところにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために本発明は、光を出射する光源と、前記光源から入射される光のうち少なくとも三色光を分離および反射するように少なくとも３つのセグメントに区分されたダイクロイックミラーが複数配列されるダイクロイックミラーホイールとを含むことを特徴とする照明光学系を提供する。
【００１９】
ここで、前記ダイクロイックミラーの数は、前記セグメントの数と同一であることが望ましい。
【００２０】
前記三色光はＲ、ＧおよびＢとすることができる。
【００２１】
前記ダイクロイックミラーの対応する位置のセグメントは相異なる色光を反射させる。
【００２２】
分離された各色光の焦点の横軸偏差がａであり、ダイクロイックミラーの垂直軸が光軸に対してθだけ傾斜角を有する場合、ダイクロイックミラー間の間隔ｄは数式１を満足する。
【数５】

〔数式１〕
【００２３】
ダイクロイックミラー間の間隔がｄであり、ダイクロイックミラーの垂直軸が光軸に対してθだけ傾斜角を有する場合、各色光の縦軸偏差ｂは数式２を満足する。
【数６】

〔数式２〕
【００２４】
前記ダイクロイックミラーで反射される光の光路上に前記縦軸偏差を除去するミラーをさらに具備することが望ましい。
【００２５】
前記光源と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を均一にするオプティカルインテグレータをさらに具備することが望ましい。
【００２６】
前記オプティカルインテグレータと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を平行光に形成するコリメーティングレンズをさらに具備することが望ましい。
【００２７】
前記コリメーティングレンズと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を一偏光光に変換する偏光変換器をさらに具備することが望ましい。
【００２８】
前記偏光変換器と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を前記ダイクロイックミラーホイールに集束する集光レンズをさらに具備することが望ましい。
【００２９】
前記技術的課題を達成するために本発明はまた、光を出射する光源と、前記光源からの光のうち少なくとも三色光を分離および反射するように少なくとも３つのセグメントに区分されたダイクロイックミラーが複数配列されるダイクロイックミラーホイールとを含む照明光学系と、前記照明光学系から入射する光を変調して画像を形成する画像光学系と、前記画像光学系で反射された光をスクリーンに投射する投射光学系と、を含むことを特徴とする画像表示装置を提供する。
【００３０】
ここで、前記ダイクロイックミラーの数は前記セグメントの数と同一であることが望ましい。
【００３１】
前記三色光はＲ、ＧおよびＢである。
【００３２】
前記ダイクロイックミラーの対応する位置のセグメントは相異なる色光を反射させる。
【００３３】
分離された各色光の焦点の横軸偏差がａであり、ダイクロイックミラーの垂直軸が光軸に対してθだけ傾斜角を有する場合、ダイクロイックミラー間の間隔ｄは数式１を満足する。
【数７】

〔数式１〕
【００３４】
ダイクロイックミラー間の間隔がｄであり、ダイクロイックミラーの垂直軸が光軸に対してθだけ傾斜角を有する場合、各色光の縦軸偏差ｂは数式２を満足する。
【数８】

〔数式２〕
【００３５】
前記ダイクロイックミラーで反射される光の光路上に前記縦軸偏差を除去するミラーをさらに具備することが望ましい。
【００３６】
前記光源と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を均一にするオプティカルインテグレータをさらに具備することが望ましい。
【００３７】
前記オプティカルインテグレータと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を平行光に形成するコリメーティングレンズをさらに具備することが望ましい。
【００３８】
前記コリメーティングレンズと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を一偏光光に変換する偏光変換器をさらに具備することが望ましい。
【００３９】
前記偏光変換器と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を前記ダイクロイックミラーホイールに集束する集光レンズをさらに具備することが望ましい。
【００４０】
前記画像光学系は、前記ダイクロイックミラーホイールから分離および反射された色光を相異なる位置に結像させるレンズアレイと、前記レンズアレイから入射する光を変調して画像を形成するパネルと、を具備する。
【００４１】
前記投射光学系は、前記画像光学系の画像をスクリーンに伝達する投射レンズを含む。
【００４２】
前記画像光学系と前記投射光学系間の光路上に前記画像光学系を出射する光を均一にするフィールドレンズをさらに具備することが望ましい。
【００４３】
本発明はダイクロイックミラーホイールを採用する照明光学系を導入して光を時間的かつ空間的に分離してフルカラーを具現できるので、カラーホイールを使用する単板式カラー画像表示装置で発生する光損失がなく、固定式ダイクロイックミラーを使用するカラー画像表示装置の解像度より３倍高い解像度を実現できる長所を有する。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態によるダイクロイックミラーホイールを具備する照明光学系およびこれを採用する画像表示装置を図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】
図４は、ダイクロイックミラーホイールを具備する本発明の第１実施形態による照明光学系およびそれを具備する画像表示装置を示す図面である。
図４を参照すれば、本発明の第１実施形態による画像表示装置は、光を各波長帯域別に分離して照射する照明光学系４０と、照明光学系４０から入射される光を印加される映像信号によって光変調して画像を形成する画像光学系５０と、画像光学系５０から入射する光をスクリーン４１４に伝達する投射光学系６０とからなる。
【００４６】
照明光学系４０は、光源としてのランプ４０１と、ランプ４０１から発散される光を集束する反射鏡４０２と、光源から入射される光のうち少なくとも三色光を分離および反射させるように少なくとも３つのセグメントに区分されたダイクロイックミラーが複数配列されるダイクロイックミラーホイール４０７とを含む。ここで、三色光はＲ、ＧおよびＢ光が一般的であり、ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃは、セグメントの数と同数配列されることが望ましい。すなわち、セグメントが３つに区分されればダイクロイックミラーも順次に３つ配列され、ダイクロイックミラーが６つのセグメントを有すればダイクロイックミラーも６つ配列されてダイクロイックミラーホイール４０７をなす。本発明の第１実施形態による照明光学系には、図示したように第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃを具備して各ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃは３つのセグメントに区分される。
【００４７】
また、照明光学系４０には、光源から出射される光度を均一にするオプティカルインテグレータ４０３が光源の前方にさらに配置され、オプティカルインテグレータ４０３を通過した光を平行に形成するコリメーティングレンズ４０４と、コリメーティングレンズ４０４から入射される光を一偏光光に変換する偏光変換器４０５と、偏光変換器４０５から出射された光をダイクロイックミラーホイール４０７に集束する集束レンズ４０６とが順次にさらに設けられている。
【００４８】
画像光学系５０は、ダイクロイックミラーホイール４０７で分離および反射された色光Ｒ、Ｇ、Ｂを相異なる位置に結像させるマイクロレンズアレイ４１０と、マイクロレンズアレイ４１０から入射される光を変調して画像を形成するパネル４１１とを具備する。ダイクロイックミラーホイール４０７とマイクロレンズアレイ４１０間の光路上にはコリメーティングレンズ４０９がさらに配列され、各色光を平行光に形成してマイクロレンズアレイ４１０に集中させる。マイクロレンズアレイ４１０は図７に示したように、第１および第２マイクロレンズアレイ４１０ａ、４１０ｂで構成できるが、第１マイクロレンズアレイ４１０ａはフィールドレンズとして光損失を減らすために使われる。
【００４９】
投射光学系６０は、パネル４１１から印加される映像信号によって変調された光をスクリーンに投射する投射レンズ４１３を含む。また、パネル４１１と投射レンズ４１３間の光路上にフィールドレンズ４１２をさらに設けて投射レンズ４１３の口径を縮めることができる。パネル４１１を通過した光はフィールドレンズ４１２で屈折されて投射レンズ４１３に結像される。
【００５０】
スクリーン４１４に投射された画像は、図５Ａおよび図５Ｂに示したダイクロイックミラーホイール４０７が回転するにつれて図７のパネル４１１の同じピクセルに対して相異なる色光が入射されて形成される。
【００５１】
図５Ａは、本発明の第１実施形態による照明光学系に具備されるダイクロイックミラーホイールのうち第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃを示す平面図であり、図５Ｂは、同一物の斜視図である。
図５Ａを参照すれば、第１ダイクロイックミラー４０７ａは、順番に各色光Ｒ、Ｇ、Ｂを区別して分離および反射させる第１ないし第３セグメント４０７ａ＿１、４０７ａ＿２、４０７ａ＿３に区分され、類似して第２ダイクロイックミラー４０７ｂは各色光Ｇ、Ｂ、Ｒを分離する第１ないし第３セグメント４０７ｂ＿１、４０７ｂ＿２、４０７ｂ＿３に区分され、同様に第３ダイクロイックミラー４０７ｃは各色光Ｂ、Ｒ、Ｇを分離する第１ないし第３セグメント４０７ｃ＿１、４０７ｃ＿２、４０７ｃ＿３に区分される。
【００５２】
図５Ｂを参照すれば、第１ダイクロイックミラー４０７ａと同一に区分された第２および第３ダイクロイックミラー４０７ｂ、４０７ｃは、第１ダイクロイックミラー４０７ａの特定セグメント、例えばＲ光を反射させる第１セグメント４０７ａ＿１に対応する位置の第１セグメント４０７ｂ＿１と第１セグメント４０７ｃ＿１とがそれぞれＧ光およびＢ光を分離および反射させるように配列される。
【００５３】
第１ダイクロイックミラー４０７ａの第１セグメント４０７ａ＿１でまずＲ光だけを反射させ、ＧおよびＢ光を透過させれば第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第１セグメント４０７ｂ＿１はＧ光だけを反射させ、Ｂ光を透過させる。第３ダイクロイックミラー４０７ｃの第１セグメント４０７ｃ＿１はＢ光を反射させる。このような光分離は、第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの第２および第３セグメント４０７ｂ＿１、４０７ｂ＿２および４０７ｃ＿１、４０７ｃ＿２でも同時に起きて空間的に光を分離する。
【００５４】
すなわち、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第２セグメント４０７ａ＿２は、第１セグメント４０７ａ＿１でＲ光だけを反射させる時点に、Ｇ光だけを反射させ、ＲおよびＢ光は透過させる。第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第２セグメント４０７ｂ＿２は、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第２セグメント４０７ｂ＿２を通過したＲおよびＢ光のうちＢ光だけを反射させ、Ｒ光は通過させる。第３ダイクロイックミラー４０７ｃの第２セグメント４０７ｃ＿２は第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第２セグメント４０７ｂ＿２を通過したＲ光を反射させる。
【００５５】
同じように、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第３セグメント４０７ｃ＿３は、Ｂ光だけを反射させてＲおよびＧ光は透過させ、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第３セグメント４０７ｃ＿３に対応する位置の第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第３セグメント４０７ｂ＿３は、Ｒ光だけを反射させてＧ光は透過させ、第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第３セグメント４０７ｂ＿３に対応する位置の第３ダイクロイックミラー４０７ｃの第３セグメント４０７ｃ＿３は、第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第３セグメント４０７ｂ＿３を通過したＧ光を反射させる。
【００５６】
ダイクロイックミラーホイール４０７は、前記のように各色光を空間的に分離すると同時にモーターにより回転しながら各色光を時間的にも分離する。ダイクロイックミラーホイール４０７が逆時計回り方向に回転すれば、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第１セグメント４０７ａ＿１は、第２セグメント４０７ａ＿２の位置に移動し、第２セグメント４０７ａ＿２は第３セグメント４０７ａ＿３の位置に同時に移動し、空間的に第１セグメント４０７ａ＿１に入射された光は、１／３フレーム中にＲ光だけ反射されて分離され、同一位置に第３セグメント４０７ａ＿３が回転して位置し、同一位置に入射される光は再び次の１／３フレーム中にＢ光だけ分離反射される。最後に、１／３フレーム中に再び第２セグメント４０７ａ＿３が最初の第１セグメント４０７ａ＿１の位置に再び回転して位置してＧ光だけを反射させる。
【００５７】
第１ダイクロイックミラー４０７ａの第２セグメント４０７ａ＿２が位置した空間に入射される光は、１／３フレーム中に第２セグメント４０７ａ＿２によりＧ光だけが分離反射され、ＲおよびＢ光が透過させられるが、第１セグメント４０７ａ＿１が回転して第２セグメント４０７ａ＿２の位置に到達すればＲ光だけが分離反射され、ＧおよびＢ光が第２ダイクロイックミラー４０７ｂに通過させられる。また１／３フレームが過ぎれば第３セグメント４０７ａ＿３が最初の第２セグメント４０７ａ＿２の位置に到達してＢ光だけを分離反射させ、ＲおよびＧ光を通過させる。
【００５８】
第２ダイクロイックミラー４０７ｂは、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第１セグメント４０７ａ＿１に対応する第１セグメント４０７ｂ＿１で第１ダイクロイックミラー４０７ａの第１セグメント４０７ａ＿１を通過したＧおよびＢ光のうちＧ光だけを分離反射させる。第２ダイクロイックミラー４０７ｂは、第１ダイクロイックミラー４０７ａと同じ１／３フレーム中に同じ方向に回転するので、第１ダイクロイックミラー４０７ａが逆時計回り方向に回転する場合、この第２ダイクロイックミラー４０７ｂ自身も同じように逆時計回り方向に回転して第１セグメント４０７ｂ＿１の位置に第３セグメント４０７ｂ＿３が位置するようになる。この時、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第１セグメント４０７ａ＿１の位置に第３セグメント４０７ａ＿３が回転して位置するので、第１および第２ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂの対応する位置の各セグメントは変動がない。
【００５９】
第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第１セグメント４０７ｂ＿１の位置に第３セグメント４０７ｂ＿３が到達すれば、第１ダイクロイックミラー４０７ａの第３セグメント４０７ａ＿３を通過したＲおよびＧ光のうちＲ光だけを分離反射させ、Ｇ光は第３ダイクロイックミラー４０７ｃに進行させる。第３ダイクロイックミラー４０７ｃでは第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第１セグメント４０７ｂ＿１の第１セグメント４０７ｂ＿１に対応する位置に第１セグメント４０７ｃ＿１が第１および第２ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂの回転と同時に逆時計回り方向に回転して第３セグメント４０７ｃ＿３が位置する。すなわち、第３ダイクロイックミラー４０７ｃは、１／３フレーム中にまず第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第１セグメント４０７ｂ＿１を通過したＢ光を反射させるが、第１および第２ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂの回転と同時に回転して１／３フレーム中に第２ダイクロイックミラー４０７ｂの第３セグメント４０７ｂ＿３を通過したＧ光を反射させる。
【００６０】
図１０は、図５Ａおよび図５Ｂに示したようなダイクロイックミラーホイール４０７が回転するにつれてパネル４１１の同一ピクセルに結像される各色光の順序が変わることを示す図面である。
【００６１】
図面を参照すれば、図５Ａおよび図５Ｂに示したようなダイクロイックミラーホイール４０７が回転しながら反射された光は、図４のパネル４１１に入射されるが、第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの第１セグメント４０７ａ＿１、４０７ｂ＿１、４０７ｃ＿１で反射された光は１／３フレーム中に４１１＿１のようにパネル４１１にＲ、ＧおよびＢ光が順次にピクセルに入射されて縦ピクセル数／３だけ反復される。図５Ａおよび図５Ｂのダイクロイックミラーホイール４０７が時計回り方向に回転して第１セグメント４０７ａ＿１、４０７ｂ＿１、４０７ｃ＿１があった位置に第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの第２セグメント４０７ａ＿２、４０７ｂ＿２、４０７ｃ＿２が位置すれば、Ｇ、ＢおよびＲ光が順次に第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃで反射されてピクセルに順次に入射されて４１１＿２に示したように縦ピクセルに順次に配列される。またダイクロイックミラーホイール４０７が回転して第２セグメント４０７ａ＿２、４０７ｂ＿２、４０７ｃ＿２があった位置に第３セグメント４０７ａ＿３、４０７ｂ＿３、４０７ｃ＿３が位置すれば、４１１＿３に示したように順次にＢ、ＲおよびＧ光が縦ピクセルに入射される。
【００６２】
例えば、本発明の実施形態による画像表示装置では、フレーム速度が６０Ｈｚである場合にＲ、ＧおよびＢの３つのセグメントに区分されたダイクロイックミラーが３つ配列されたダイクロイックミラーホイールをフレーム速度の３倍、すなわち、１８０Ｈｚで回転させてフルカラー画像を得ることができる。もし、Ｒ、ＧおよびＢの６セグメントに区分されたダイクロイックミラーが６つ配列されたダイクロイックミラーホイールを使用する場合に前記ダイクロイックミラーホイールの速度の半分の速度９０Ｈｚで回転させればフルカラー画像を得ることができる。ダイクロイックミラーをより多くのセグメントに区分するほどダイクロイックミラーホイールの速度は下げつつフルカラー画像を得ることができる。
【００６３】
ダイクロイックミラーホイール４０７は、第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの互いに対応する位置にある各セグメントが相異なる色光を分離および反射させるように配列されて空間的に光を分離でき、従来のカラーホイールと違って第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃが回転しながら時間的にも光を各波長帯域別に分離できて、光量全体を３つの色光に分離できるので１００％に近い光効率を得ることができる。すなわち、本発明の実施形態による照明光学系に採用されるダイクロイックミラーホイール４０７は、空間的にかつ同時に時間的に光を分離して視空間的に光を利用する有用な光学手段である。
【００６４】
ダイクロイックミラーホイール４０７の各ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの各セグメントは分離しようとする波長帯域によって３つ以上の各セグメントに区分できる。例えば、Ｒ、イエロー（Ｙ）、ＧおよびＢ光を分離しようとする場合、４つのセグメントに区分されて４つのダイクロイックミラーが配列されてダイクロイックミラーホイールを構成できる。またはダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃがＲ、ＧおよびＢ光を分離するが、空間的に光をさらに細分化して解像度を高めうるように各ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃのセグメントを６つまたは９つなど、３の倍数に区分できる。いずれの場合にも対応するダイクロイックミラーの各セグメントは相異なる色光を分離反射させるように配列される。
【００６５】
図６は、ダイクロイックミラーホイール４０７の光分離および反射について説明する概念図である。
図６を参照すれば、ダイクロイックミラーホイール４０７には、Ｒ、Ｇ、Ｂのセグメントに区分された第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃがｄだけの間隔をおいて配列されている。第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの平面に対する垂直軸ｎが光軸Ｘに対して傾斜角θだけ傾いており、各ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃで分離および反射された各色光が相異なる位置に集束されている。各色光は光軸Ｘに並んでいる横軸方向に偏差が発生するが、これを横軸偏差ａといい、各色光の光軸Ｘに直交する縦軸方向に発生する偏差を縦軸偏差ｂという。
【００６６】
図７は、波長帯域別に傾斜度の異なる平行な各色光がマイクロレンズアレイ４１０を通過しながらパネル４１１の各ピクセルを通過する光路を示している。
図７を参照すれば、図６に示したようにダイクロイックミラーホイール４０７を通過しながら分離された各色光が第１マイクロレンズアレイ４１０ａを通過しながら光路が屈折され、第２マイクロレンズアレイ４１０ｂを通過しながら再び屈折されて同一色光は一つの焦点に集束されて色別に相異なるピクセルに集束されるようになる。Ｒ光が上部ピクセル、Ｇ光が中間ピクセル、Ｂ光が下部ピクセルを通過する。
【００６７】
例えば、１０２４×７６８の解像度を有する０．９インチのＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）マイクロ素子を使用する場合、横方向ピクセルピッチＰは０．０１８ｍｍであってピクセルの充填率（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ；Ｆ）を８０％と仮定すれば、利用可能なピクセルの開口サイズ（Ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｉｚｅ；ＡＳ）は数式３により０．０１４ｍｍとなる。
【数９】

〔数式３〕
【００６８】
これは図７のパネル４１１を通過する光のフォーカス間隔が０．０１８ｍｍになることを意味する。図４のコリメーティングレンズ４０９の直径が２５ｍｍ、焦点距離Ｆ_ｃが３０ｍｍであり、マイクロレンズアレイ４１０のマイクロレンズの直径がピクセルピッチＰの３倍、すなわち０．０５４ｍｍ、焦点距離Ｆ_ｍが０．１３５ｍｍであると仮定すれば、横軸偏差ａとしては数式４から４ｍｍの値を求めうる。
【数１０】

〔数式４〕
【００６９】
この横軸偏差ａ値から図６に示したダイクロイックミラーホイール４０７の第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ間の間隔ｄを求めることができる。傾斜角θが４５°であると仮定すれば、第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ間の間隔ｄとしては数式１により２．８３ｍｍが算出される。
【００７０】
パネル４１１の各ピクセルに集束されながら通過する光の焦点でのビームサイズｗは、マイクロレンズアレイ４１０に入射される単色平行光の発散角φを±２°と仮定すれば、数式５により０．００４７ｍｍとして求められるが、これにより、ピクセル４１１のＡＳである０．０１４ｍｍより小さな値で各色光が該当ピクセルに集束されることが分かる。
【数１１】

〔数式５〕
【００７１】
図６で縦軸偏差ｂが示されているが、これは数式５を利用してダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ間の間隔ｄおよび、光軸Ｘとダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃの平面に対する垂直軸ｎとの傾斜角θを代入して求めることができる。間隔ｄが数式２により求めた値２．８３ｍｍであり、傾斜角θが４５°である場合に縦軸偏差ｂは４ｍｍとなる。
【００７２】
横倍率Ｍは、コリメーティングレンズ４０９の焦点距離Ｆ_ｃが３０ｍｍであり、マイクロレンズの焦点距離Ｆ_ｍが０．１３５ｍｍである時、数式６により０．００４５であり、縦倍率は横倍率の自乗である０．００００２であるために縦軸偏差ｂは無視できる。
【数１２】

〔数式６〕
【００７３】
図８は、照明光学系４０と画像光学系５０との間にミラーをさらに具備する本発明の第２実施形態による照明光学系４０とこれを具備する画像表示装置を示す構成図であって、図９は、前記の縦軸偏差ｂを無視できない場合、ミラー８０９を照明光学系４０と画像光学系５０との間にさらに配置して縦軸偏差ｂを除去する方法を示している。
【００７４】
図８および図９に示したように、ダイクロイックミラーホイール４０７とコリメーティングレンズ４０９との間に各色光別に焦点が結ばれる焦点面８１０に垂直な方向８１２に各色光を反射させるミラー８０９をさらに配置すれば、図４に示した本発明の第１実施形態による照明光学系４０およびこれを具備する画像表示装置で現れた光の縦軸偏差ｂが除去される。
【００７５】
図９を参照すれば、集束レンズ４０６を通過した光は、第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃでＲ、ＢおよびＧ光に分離されて焦点が結ばれるが、ミラー８０９を図示したように配置すれば焦点を連結する焦点面８１０に対して垂直な方向８１２に光が反射されながら縦軸偏差ｂが除去される。
【００７６】
このような方法で縦軸偏差ｂを除去する方法以外にも、ダイクロイックミラーホイール４０７を構成する第１ないし第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃのそれぞれの平面を図２に示した従来のカラー画像表示装置のダイクロイックミラー２０４Ｒ、２０４Ｇ、２０４Ｂのように、第１および第３ダイクロイックミラー４０７ａ、４０７ｃを第２ダイクロイックミラー４０７ｂに対して所定角度δだけ傾けて各色光の波長によって発生する縦軸偏差ｂを除去できる。
【００７７】
照明光学系４０、画像光学系５０および、投射光学系６０に備わる各光学素子の機能と、前記光学素子を進行する光の光路およびダイクロイックミラーホイール４０７の機能とは、図４に示した本発明の第１実施形態による照明光学系およびこれを具備する画像表示装置で説明したところと同じである。
【００７８】
【発明の効果】
本発明は、所定色光だけを反射させて他の色光は透過させる複数のセグメントで構成される複数のダイクロイックミラーよりなるダイクロイックミラーホイールを具備する照明光学系およびこれを含む画像表示装置を提供して、時間的、空間的に光を分離して光損失を除去すると同時に高解像度の画像を具現できる。
【００７９】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。
【００８０】
例えば、本発明が属する技術分野の当業者であれば、本発明の技術的思想により各色光を分離する複数のセグメントに区分される複数のダイクロイックミラーが配列されて形成されるダイクロイックミラーホイールを多様に採用できる。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められる。
【００８１】
前記のように本発明で提供されるダイクロイックミラーホイールを具備する照明光学系およびこれを具備する画像表示装置の長所は、時間的かつ空間的に光を分離できて光損失を除去して高解像度の画像を具現できるということである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のカラーホイールを使用する単板式カラー画像表示装置の一例を示す図である。
【図２】 従来のダイクロイックミラーを使用する単板式カラー画像表示装置の一例を示す図である。
【図３】 図２のマイクロレンズアレイおよび液晶表示素子での光路を示す図である。
【図４】 本発明の第１実施形態による照明光学系およびこれを具備する画像表示装置を示す構成図である。
【図５Ａ】 本発明の第１実施形態による照明光学系に備わるダイクロイックミラーホイールを示す平面図である。
【図５Ｂ】 本発明の第１実施形態による照明光学系に備わるダイクロイックミラーホイールを示す斜視図である。
【図６】 本発明の実施形態による照明光学系に備わるダイクロイックミラーホイールの光分離および反射を説明する概念図である。
【図７】 本発明の第１実施形態による画像表示装置で各色光がマイクロレンズアレイを通過してパネルに到達する光路を示す図である。
【図８】 本発明の第２実施形態による照明光学系およびこれを具備する画像表示装置を示す構成図である。
【図９】 図８に示したミラーから縦軸偏差ｂを除去する方法を示す図である。
【図１０】 本発明の実施形態による照明光学系でダイクロイックミラーホイールが回転するにつれてパネルの同一ピクセルに結像される各色光の順序が変わることを示す図である。
【符号の説明】
４０・・・照明光学系
５０・・・画像光学系
６０・・・投射光学系
４０１・・・ランプ
４０２・・・反射鏡
４０３・・・オプティカルインテグレータ
４０４・・・コリメーティングレンズ
４０５・・・偏光変換器
４０６・・・集束レンズ
４０７・・・ダイクロイックミラーホイール
４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ・・・ダイクロイックミラー
４０９・・・コリメーティングレンズ
４１０・・・マイクロレンズアレイ
４１１・・・パネル
４１２・・・フィールドレンズ
４１３・・・投射レンズ
４１４・・・スクリーン

Claims (19)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から入射される光のうち少なくとも三色光を分離および反射するように少なくとも３つのセグメントに区分されたダイクロイックミラーが複数平行に配列されるダイクロイックミラーホイール、とを含むことを特徴とする照明光学系であって、
   前記ダイクロイックミラーで反射される光の光路上に各色光の縦軸偏差を除去するミラーをさらに具備することを特徴とする照明光学系。
2. 前記ダイクロイックミラーの数は、前記セグメントの数と同一であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記三色光は赤色、緑色および青色の光であることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
4. 前記ダイクロイックミラーの対応する位置のセグメントは、相異なる色光を反射させることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
5. 前記光源と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を均一にするオプティカルインテグレータをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
6. 前記オプティカルインテグレータと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を平行光に形成するコリメーティングレンズをさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 前記コリメーティングレンズと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を一偏光光に変換する偏光変換器をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載の照明光学系。
8. 前記偏光変換器と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を前記ダイクロイックミラーホイールに集束する集光レンズをさらに具備することを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
9. 光を出射する光源と、前記光源からの光のうち少なくとも三色光を分離および反射するように少なくとも３つのセグメントに区分されたダイクロイックミラーが複数平行に配列されるダイクロイックミラーホイールとを含む照明光学系と、
   前記照明光学系から入射する光を変調して画像を形成する画像光学系と、
   前記画像光学系で反射された光をスクリーンに投射する投射光学系と、を含むことを特徴とする画像表示装置であって、
   前記ダイクロイックミラーで反射される光の光路上に各色光の縦軸偏差を除去するミラーをさらに具備することを特徴とする画像表示装置。
10. 前記ダイクロイックミラーの数は前記セグメントの数と同一であることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記三色光は赤色、緑色および青色の光であることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
12. 前記ダイクロイックミラーの対応する位置のセグメントは相異なる色光を反射させることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
13. 前記光源と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を均一にするオプティカルインテグレータをさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
14. 前記オプティカルインテグレータと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を平行光に形成するコリメーティングレンズをさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の画像表示装置。
15. 前記コリメーティングレンズと前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を一偏光光に変換する偏光変換器をさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。
16. 前記偏光変換器と前記ダイクロイックミラーホイール間の光路上に前記光を前記ダイクロイックミラーホイールに集束する集光レンズをさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の画像表示装置。
17. 前記画像光学系は、
    前記ダイクロイックミラーホイールから分離および反射された色光を相異なる位置に結像させるレンズアレイと、
    前記レンズアレイから入射する光を変調して画像を形成するパネルと、を具備することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
18. 前記投射光学系は、
    前記画像光学系の画像をスクリーンに伝達する投射レンズを含むことを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
19. 前記画像光学系と前記投射光学系間の光路上に前記画像光学系を出射する光を均一にするフィールドレンズをさらに具備することを特徴とする請求項１８に記載の画像表示装置。

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