JP4220028B2 - 液晶プロジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルの画像を投影する際に、光不透過部であるブラックストライプ部も共に拡大されるために、投影された画像上に、比較的太い黒い縞が現れ、視覚的に目障りである欠点を、回折格子面と光学屈折面とを組み合わせた構造を有することにより解消する光学素子に関するものである。
また、本発明は、そのような光学素子を組み込む事により、ブラックストライプの投影を無くした液晶プロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオ画像を拡大して見えやすくする方法としては、（１）サイズの大きいブラウン管を使用する方法、（２）輝度の高い３原色各色用のブラウン管を使用して各々の分色画像を背面投影用スクリーンに投影する方法、および（３）液晶パネルを使用して照明用光源により反射型スクリーンに投影する方法等がある。
【０００３】
しかし、（１）においては、製造できる大きさが限られ、また、装置全体の重量が増加する欠点がある。（２）においては、拡大する事により画面が暗くなる欠点が避けられない。（３）においては、ブラウン管のような真空管ではなく、照明用光源を使用できるため、輝度が明るく、従って、拡大も実用上、十分な倍率で実現できる利点があり、使用される機会が多い。
【０００４】
ただ、（３）においても、唯一、液晶パネルの各色の光フィルタの間に存在するブラックストライプが目立つ欠点がある。
液晶パネルのブラックストライプは、個人が卓上で使用する程度のパーソナルコンピュータ用のディスプレイ（大きいものでも対角線の長さで３０ｃｍ前後）ではごく細く、しかも、光フィルタ部を透過する光の強度が十分あるため、ブラックストライプの存在は相対的に気にならない。しかし、液晶パネルの画面を拡大投影すると、ブラックストライプも次第に太くなる上、光フィルタ部を透過した光は、拡大倍率が上がるに伴い、強度が低下するため、ブラックストライプが相対的によく見えるようになり、かなり目障りなものになってくる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明においては、液晶パネルのブラックストライプはそのままとし、拡大投影される際に、ブラックストライプをいかに見えないようにするかを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、ブラックストライプの部分を伴って発生した液晶パネルのカラー画像を回折格子を用いて、各カラーフィルタ部の光を回折させ、一旦、ブラックストライプをなくした後に、そのままでは隣り合うフィルタから出光した光が混ざってしまうのを、回折した光の方向を元の光の方向と平行な方向に戻して揃えることにより、ブラックストライプが無く、しかもボケのない画像を与えることに成功した。
【００１０】
請求項１の発明は、投影用光源と、前記投影用光源から出た光を集光して液晶パネルを照明するための集光用光学系と、ブラックストライプとブラックストライプにより囲まれていて、画素毎に３原色の各色の光フィルタ部を有しており、前記集光用光学系からの光を受けてビデオ信号に応じたカラー画像光を出光する液晶パネルと、前記液晶パネルからの光をスクリーンに投影するための投影用光学系とを有しており、かつ、前記液晶パネルの出光側に、回折屈折型光学素子を有していて、前記回折屈折型光学素子が、液晶パネルに向かう側のブラックストライプ部を除く光フィルタ部に対応する位置に、液晶パネルからの入射光を＋１次および−１次に回折する機能を有する透過型回折格子を有しており、前記液晶パネルとは反対側の隣接する回折光どうしが交わる位置に、前記透過型回折格子で回折された光を、前記入射光と平行な出射光に屈折する機能を有するものであることを特徴とする液晶プロジェクタ。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１において、前記透過型回折格子の格子間隔が、対応するブラックストライプ部の幅に応じて決められている事を特徴とする液晶プロジェクタに関するものである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２において、前記透過型回折格子の格子間隔χが、対応するブラックストライプ部の幅をｄ、入射光波長をλ、回折屈折型光学素子の厚みをｔとすると、下記「数２」により決められていることを特徴とする液晶プロジェクタに関するものである。
【数２】
χ＝２λ（ｔ ² ＋ｄ ² ／４） ^1/2 ／ｄ
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に関わる回折屈折型光学素子および本発明の液晶プロジェクタの原理を概念的に示す図であって、照明用の光源１から発した光は、集光用レンズ２によってある角度範囲に集光され、例えば、平行光となって、液晶パネル３に入射する。
あるいはポラボラ反射鏡等によって集光して平行光としてもよい。
液晶パネル３には、各画素毎に、青（図中Ｂの領域）、緑（図中Ｇの領域）、及び赤（図中Ｒの領域）の微小フィルタ領域と各微小フィルタ領域に対応する電極が形成されており、各電極には、ビデオ信号に応じた電圧が印加されて、液晶の作用により光の透過度が制御される。
従って、液晶パネル３に入射した光が透過する際には、各微小フィルタ領域毎に色相と光の強度が決定され、全体としてカラー画像を与える。
液晶パネル３から出た光は、次いで、本発明の回折屈折型光学素子４に入射する。通常の液晶プロジェクタでは、この部分は無く、液晶パネルから、直接に、次の投影用光学系５に光が導入される。
この回折屈折型光学素子４には、以降に説明するように、入射側では光を回折することにより、平行に入射した光を回折格子によって決まる角度θの方向および−θの方向に回折させる機能を持ち、出射側では屈折により、再び入射光と同じ方向性を持つ光、この場合、平行光にする機能がある。
回折屈折型光学素子４から出た光は、投影用光学系５により、適宜な角度に調整されて、反射型スクリーン等に投影される。
【００１４】
図２は、回折屈折型光学素子の働きを示す概念的な図であり、３ｆは液晶パネル３のカラーフィルタを示し、４は回折屈折型光学素子を示す。
カラーフィルタ３ｆの斜線部７はブラックストライプ部であって、光を通さないが、カラーフィルタ３ｆのＢ、Ｇ、Ｒの文字がある部分は、それぞれ、青色、緑色、及び赤色の微小な光フィルタ部であり、光を透過する。
回折屈折型光学素子４は、液晶パネル側の面に回折格子部８を有し、回折格子の位置と大きさ、及び形成される区域の形状は、左側の液晶パネルの光フィルタ部に対応している。回折屈折型光学素子のもう一方の面には、回折格子に対応する位置に、２種類の角度の異なる屈折面９、１０の対を有している。ただし、１対の屈折面９、１０の形成されている大きさ、形状は、光フィルタ部の大きさよりも大きく、光フィルタ部の周囲のブラックストライプの半分の幅の部分までも含んでおり、光フィルタ部のピッチに対応するものとなっている。
各光フィルタ部を透過した光は回折格子８の作用により回折し、図中点線で示す矢印のうち、斜め右上に進行した光は、屈折面９により屈折し、平行光となって右側に出て行き、斜め右下に進行した光は、屈折面１０により屈折し、やはり、平行光になって右側に出る。従って、液晶パネルを出たときには、ブラックストライプ部分は光が出ないので、黒色になっている部分があるが、回折屈折型光学素子４により、黒色部分が見えなくなるよう構成されている。
【００１５】
図３を用いて、ブラックストライプ部が見えなくなるための回折屈折型光学素子４の各部の寸法等の製作諸元等をより詳しく説明する。
まず、回折格子８について説明する。
図３に示すように、フィルタＢ（青色フィルタ部の意味）から出て回折格子８により右下方向に回折した光と、フィルタＧ（緑色フィルタ部の意味）から出て回折格子８により右上方向に回折した光とが、回折屈折型光学素子４の右側の表面の、ブラックストライプの中央に対応する位置で丁度ぶつかるようにすれば、ブラックストライプによる影が無くなる。
このときの回折角度θは、回折屈折型光学素子の厚みをｔ、ブラックストライプの幅（図３の上した方向）をｄとすると、
【数３】
ｔａｎθ＝（ｄ／２）／ｔ＝ｄ／２ｔ
の関係にあり、この「数３」中のθが回折格子が光を回折する角度になる。
このようにして決まるθは回折格子の格子間隔χによって決まるが、入射波長をλとするとき、ブラッグの式から、
【数４】
χｓｉｎθ＝λ
の関係がある。
「数３」から、ｓｉｎθ＝ｄ／（４ｔ ² ＋ｄ ² ） ^1/2 であるから、これを「数４」に代入すると、
【数５】
χ＝２λ（ｔ ² ＋ｄ ² ／４） ^1/2 ／ｄ
となり、この「数５」に従って、青色、緑色、又は赤色の色の波長λの相違により、各色の光フィルタ部に対応する回折格子の格子間隔を変える事になる。
なお、回折格子を形成する区域の幅は、理論上、各色の光フィルタ部の幅ｄと同じでよいが、液晶パネルの光フィルタ部との位置合わせの際に、ズレが生じて入射した光が回折しない部分が生じると、ブラックストライプを消す効果が損なわれるので、光フィルタ部の幅より多少広めに製作してもよい。
【００１６】
次に、回折屈折型光学素子４の出射側の屈折面の諸元等を説明する。
図３に示すように、２つの屈折面９、１０は、液晶パネル３の各光フィルタ部に対応した位置にあり、各光フィルタ部の光軸を中心にして、断面が対称に形成された山型の断面形状を持っている。
山の各斜面に相当する面の屈折面の、回折屈折型光学素子４の上下方向に対する角度をξ、回折屈折型光学素子４の材料の屈折率をｎ、回折格子により回折する角度をθとすると、図４に示すように、屈折面が回折屈折型光学素子４に対して傾いているので、回折光の屈折面への入射角度はθではなく、ξ−θであり、回折屈折型光学素子４に対して直角の出射光の角度は、屈折面の法線に対してはξであるから、異なる媒体間での屈折に関するスネルの式を当てはめると、
【数６】
ｎ×ｓｉｎ（ξ−θ）＝１×ｓｉｎξ
となる。
ここで、素材の屈折率ｎは材料によって決まる定数であり、回折角度θは、液晶パネルのフィルタの諸元と、回折屈折型光学素子４の厚みｔが決まるので、以上の数値が決まれば、ξが求められる。
【００１７】
なお、以上の説明では、回折を画面の上下方向に行わせるのか、左右方向に行わせるのか、方向を特定していない。いずれにせよ、一方向のブラックストライプのみの解消の説明であるので、ブラックストライプが上下方向か左右方向かのいずれか一方向にのみ存在するときは、以上に説明した回折屈折型光学素子を使用すれば、十分間に合う。例えば、上下方向にのみブラックストライプがあるときは、回折は左右方向のみとし、屈折面もそれに対応させればよい。
ブラックストライプが上下方向及び左右方向の２方向にあるときは、以上に説明した回折屈折型光学素子を、左右方向用、上下方向用の２種類作り、重ねて使うことができる。ストライプが左右方向用と上下方向用ではピッチや太さが違う場合もあるので、その場合には、回折の角度θ、及び屈折面の角度ξ等の異なる２種類の回折屈折型光学素子を製作して使用する。
【００１８】
回折屈折型光学素子を２種類（＝２枚）用いると、光の損失があり、画面の明るさを考えると不利もあるので、１枚の回折屈折型光学素子で、幅方向、上下方向のいずの方向についてもブラックストライプを見えないようにしたいときは、回折格子面に２種類の回折格子の溝を直交させて製作し、１つの回折格子面で光を左右方向と上下方向の２方向に回折する回折格子を用いるとよい。
また、屈折面については、前述した１つの光フィルタ部に対応する二つの面からなる屈折面の各々を、図５に示すように、さらに分割して４つとし、４つの屈折面１１、１２、１３、１４を１組として、１つの光フィルタ部に対応させるとよい。１５は光軸である。ただし、型の製作が煩雑になるので、回折屈折型光学素子には、一方向の、例えば左右方向に回折した光を平行に揃える機能を持つ屈折面のみを形成しておき、残る他方向、例えば上下方向に回折した光を平行に揃える機能を持つ別体の屈折用シートを製作して重ねて使用してもよい。
【００１９】
なお、回折格子と屈折面を１枚のシートの両側に形成するのが、光の透過率から言っても、また、熱プレス等による生産上の効率もよいが、別々のシートに分けて形成することも可能であり、上下方向の回折、および上下方向の回折光の屈折による平行光化、並びに、左右方向の回折、および左右方向の回折光の屈折による平行光化をすべて別体シートとし、最大４枚のシートにそれぞれの役割を持たせることもできる。
【００２０】
【実施例】
ブラックストライプの幅が１００μｍ、フィルタ開口部の幅が１００μｍである液晶パネル用の回折屈折型光学素子（素子の厚み１ｍｍ、屈折率１．５）を次のようにして作製した。
（回折格子面型の作製）
フォトレジスト（シプレー社製、マイクロポジット１３５０）を塗布したガラス乾板を準備し、液晶用カラーフィルタの青色部分のみ開口したマスクを密着させた。光源として、波長４８８ｎｍのアルゴンレーザーを使用し、ハーフミラーで光路を２分割した後、ガラス乾板上のフォトレジスト上に、格子間隔が９μｍになるよう、干渉角３．１°で干渉縞を露光した。
続いて、液晶用カラーフィルタの緑色部分のみ開口したマスクを密着させ、格子間隔が１１μｍになるよう、干渉角２．５°で干渉縞を露光した。
最後に、液晶用カラーフィルタの赤色部分のみ開口したマスクを密着させ、格子間隔が１３μｍになるよう、干渉角２．２°で干渉縞を露光した。
３回の露光を行なった後、所定の現像液（シプレー社製、マイクロポジットデベロッパー）で現像して、青色、緑色、及び赤色の各色に相当する部分に異なる格子間隔の回折格子が形成された、本発明の回折屈折型光学素子の回折格子面の原型を得て、引き続き、ニッケルメッキにより、回折格子面のスタンパを作製した。
【００２１】
（屈折面型の作製）
厚み１０ｍｍのステンレス板上に、カラーフィルタのＢ（青色）、Ｇ（緑色）、Ｒ（赤色）に対応する位置に、それぞれ、角度が９°、７．５°、６．６°であるＶ字状の溝を、溝のピッチが２００μｍ（＝ブラックストライプの幅とフィルタ開口部の幅の合計）になるよう、切削加工機により溝を形成し、屈折面のスタンパを作製した。
（回折屈折型光学素子の作製）
複屈折性を有しないポリカーポネートシート（厚み１ｍｍ）の両側に、上記で得られた回折格子面のスタンパ、及び回折格子面のスタンパを位置を合わせてセットし、２００℃に加熱し、１００気圧の圧力で熱エンボスを行なって、本発明の回折屈折型光学素子を得た。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、従来の液晶ブロジェクタでは解消できなかった、投影画像上のブラックストライプを細くすることができる。
【００２６】
請求項２の発明によれば、投影画像上のブラックストライプが無くなる。
【００２７】
請求項３の発明によれば、回折格子の格子間隔χが、液晶パネルの対応ブラックストライプの幅ｄ、入射光の波長λ、及び光学素子の厚みｔにより決まり、液晶パネルや、光学素子の厚み等が変わっても、計算により格子間隔が決められるので、液晶パネルの仕様の変更があっても、計算により光学素子の諸元を変更して、投影画像上のタを構成でき、ブラックストライプを無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の概念を示す図である。
【図２】 図２は、本発明の原理を示す図である。
【図３】 図３は、本発明に関わる回折屈折型光学素子の断面を示す図である。
【図４】 図４は、本発明に関わる回折屈折型光学素子の屈折面を示す図である。
【図５】 図５は、屈折面の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 集光用レンズ
３ 液晶パネル
４ 回折屈折型光学素子
５ 投影用レンズ
７ ブラックストライプ
８ 回折格子
９、１１〜１４ 屈折面
１５ 光軸

Claims (3)

1. 投影用光源と、前記投影用光源から出た光を集光して液晶パネルを照明するための集光用光学系と、ブラックストライプとブラックストライプにより囲まれていて、画素毎に３原色の各色の光フィルタ部を有しており、前記集光用光学系からの光を受けてビデオ信号に応じたカラー画像光を出光する液晶パネルと、前記液晶パネルからの光をスクリーンに投影するための投影用光学系とを有しており、かつ、前記液晶パネルの出光側に、回折屈折型光学素子を有していて、前記回折屈折型光学素子が、液晶パネルに向かう側のブラックストライプ部を除く光フィルタ部に対応する位置に、液晶パネルからの入射光を＋１次および−１次に回折する機能を有する透過型回折格子を有しており、前記液晶パネルとは反対側の隣接する回折光どうしが交わる位置に、前記透過型回折格子で回折された光を、前記入射光と平行な出射光に屈折する機能を有するものであることを特徴とする液晶プロジェクタ。
2. 前記透過型回折格子の格子間隔が、対応するブラックストライプ部の幅に応じて決められている事を特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ。
3. 前記透過型回折格子の格子間隔χが、対応するブラックストライプ部の幅をｄ、入射光波長をλ、回折屈折型光学素子の厚みをｔとすると、下記「数１」により決められていることを特徴とする請求項２記載の液晶プロジェクタ。
   【数１】
   χ＝２λ（ｔ ² ＋ｄ ² ／４） ^1/2 ／ｄ

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