JP4396213B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投射型の画像表示装置に関し、特に、光変調素子の位置合せの複雑化等を招くことなく、コントラストを向上させたものに関する。

従来、光源を含む照明装置と、照明装置によって照明される光変調素子と、光変調素子の像を結像させる投影レンズとを備えた投射型の画像表示装置が提案されている。これらの中には、光源として放電ランプを用い、光変調素子としては液晶表示素子を用いているもの（液晶プロジェクター）がある。

液晶表示素子としては、ＴＮ(Twisted Nematic)方式のものが使われることが多い。ＴＮ方式は、電源がオフのときに基板ガラスとほぼ平行にねじれて並ぶことにより光の偏光方向を変えて白を表示し、電源がオンときは偏光は変われないため黒を表示することになる。しかし、電源がオンのときでも斜めから入射した光束にとっては複屈折性が生じるため光が漏れる。そのため、画像を表示させた場合、コントラストが低下してしまう。

これに対し、ＶＡ(Vertically Aligned)方式の液晶表示素子を用いることが考えられる。ＶＡ方式とは垂直配光膜と負の誘電異方性を有する液晶とを組み合わせることを特徴としており、電源オフ時に液晶分子が基板に対してほぼ垂直になるため、高いコントラスト特性の実現が可能となる。

しかし、プロジェクター用途に使われる小型の高温ポリシリコンは一般的にラインごとに極性を交互に変えていく、いわゆるライン反転で駆動する。そのため、基板に対して垂直方向だけではなく水平方向にも電界がかかることになり、これによる液晶分子の配向の乱れを防ぐため基板に対して数度のプレチルト角をつける。そのため、ＶＡ方式の液晶表示素子を用いても、プレチルトの方位の逆側から入射した場合、光の漏れが生じ、その結果やはりコントラストが低下してしまう。

従来、液晶プロジェクターのコントラストを向上するための方法としては、液晶表示素子を光軸に対して最大コントラスト視角の方向に所定角度傾けるという方法が提案されていた（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭６２−１８６２２５号公報（第３〜４頁、第１〜２図）

しかし、この特許文献１に記載のような方法では、Ｒ、Ｇ、Ｂ用の３枚の液晶表示素子を備える３板式液晶プロジェクターの場合に、各液晶表示素子をそれぞれ同じ方向に等しい角度だけ傾けなければならないので、液晶表示素子の位置合せが複雑かつ困難になるという問題があった。

また、液晶表示素子が光軸に対して傾くので、液晶表示素子の全面でフォーカスを合せることができなくなり、画像がぼやけてしまうという問題があった。

本発明は、上述の点に鑑み、光変調素子の位置合せの複雑化を招いたり画像をぼやけさせたりすることなく、高いコントラストを有する投射型の画像表示装置を実現することを課題としてなされたものである。

この課題を解決するために、本出願人は、光源を含む照明装置と、照明装置からの照明光を映像信号に応じて変調する光変調素子と、光変調素子の像を結像させる投影レンズとを有する投射型の画像表示装置において、光源は放電ランプであり、光変調素子はＶＡ方式の液晶表示素子であり、照明装置は、放電ランプからの光を反射して略平行光とする放物面形状のリフレクターと、リフレクターからの光束の照度分布を均一化するための第１及び第２のフライアイレンズと、放電ランプの発光領域と略共役の位置に配置されており、第２のフライアイレンズの第１〜第４象限のうち、液晶表示素子の視野角特性においてコントラスト比が最も低くなる方位角に対応した１つの象限全体に入射した光束を反射する反射素子とを備え、反射素子で反射された光束が、リフレクターで反射されて放電ランプの発光領域に戻り、発光領域を透過した光束が、リフレクターで反射され、第１のフライアイレンズ及び第２のフライアイレンズの第１〜第４象限のうち反射素子で反射されない象限を透過する画像表示装置を提案する。

この画像表示装置によれば、放電ランプから出射され、リフレクターで反射され、第１のフライアイレンズを透過して第２のフライアイレンズの第１〜第４象限に到達した光束のうち、ＶＡ方式の液晶表示素子の視野角特性においてコントラスト比が最も低くなる方位角に対応した１つの象限全体に入射した光束が、照明装置内の反射素子によって反射されて液晶表示素子に入射されなくなる。

これにより、液晶表示素子には相対的にコントラストの高い角度方向からのみ光が入射するようになるので、コントラストが向上する。また、液晶表示素子を傾ける場合と異なり、液晶表示素子の位置合せの複雑化を招いたり画像をぼやけさせたりすることはない。

また、反射素子は放電ランプの発光領域と略共役の位置に配置されており、反射素子で反射された光束が、リフレクターで反射されて放電ランプの発光領域に戻り、発光領域を透過した光束が、リフレクターで反射され、第１のフライアイレンズ及び第２のフライアイレンズの第１〜第４象限のうち反射素子で反射されない象限を透過する。

それにより、反射素子及びリフレクターで反射されて放電ランプに戻った光が、リフレクターで再び反射され、今度は反射素子で遮られることなく液晶表示素子に入射する（すなわちコントラストの高い角度方向から液晶表示素子に入射する）ようになる。したがって、高いコントラストを有するだけでなく、低コストで光利用効率の高い投射型の画像表示装置を実現できるようになる。

なお、この画像表示装置において、一例として、この反射素子の液晶表示素子寄りの面に、光を吸収する材料を用いることが好適である。

照明装置内にこうした反射素子を配置すると、この反射素子で反射されることなく液晶表示素子の前段のレンズ（コンデンサーレンズやフィールドレンズ）に入射した光束の一部が、それらのレンズで反射されてこの反射素子に戻るようになる。こうして反射素子に戻った光がこの反射素子で再び反射されると、コントラストの低い角度方向から液晶表示素子に入射することにより、コントラストの向上の妨げになることがある。

そこで、この反射素子の液晶表示素子寄りの面に光を吸収する材料を用いることにより、それらのレンズで反射された光がこの反射素子で再び反射されて液晶表示素子に入射することがなくなるので、一層高いコントラストを有する投射型の画像表示装置を実現できるようになる。

本発明によれば、光変調素子として用いるＶＡ方式の液晶表示素子の位置合せの複雑化を招いたり画像をぼやけさせたりすることなく、高いコントラストを有する投射型の画像表示装置を実現できるという効果が得られる。

また、高いコントラストを有するだけでなく、低コストで光利用効率の高い投射型の画像表示装置を実現できるという効果が得られる。

さらに、光変調素子の前段のレンズで反射された光がコントラストの低い角度方向から光変調素子に入射することがなくなるので、一層高いコントラストを有する投射型の画像表示装置を実現できるという効果が得られる。

以下、ＶＡ方式の液晶表示素子を用いた３板式の液晶プロジェクターに本発明を適用した例について、図面を用いて具体的に説明する。
＜構成＞
図１は、本発明による３板式液晶プロジェクターの光学系を示す。この光学系は、光源である放電ランプ１と、放電ランプ１の出射光を反射する放物面形状のリフレクター２と、第１フライアイレンズ３と、第２フライアイレンズ４と、反射板２２と、ＰＳコンバータ（偏光ビームスプリッタと１／２波長板とから成り入射光を特定の直線偏光に変換する光学部品）５と、コンデンサーレンズ６と、ダイクロイックミラー７及び８と、反射ミラー９、１５及び１７と、フィールドレンズ１０、１２及び１８と、透過型の液晶パネル（液晶表示素子）１１、１３及び１９と、リレーレンズ１４及び１６と、クロスプリズム２０と、投影レンズ２１とで形成されている。

放電ランプ１から出射した光束は、リフレクター２によってほぼ平行光となり、第１フライアイレンズ３、第２フライアイレンズ４に入射する。フライアイレンズ３及び４は、入射した光束の空間分布を均一化する。第２フライアイレンズ４を透過した光束の一部は、反射板２２に入射する。反射板２２は、放電ランプ１の２つの電極間に形成される発光領域と略共役の位置、すなわち透過型の液晶パネル１１、１３及び１９を照明する照明光の光路中に、放電ランプ１からの光がリフレクター２を介して第１フライアイレンズ３の個々のレンズエレメントにより集光され、放電ランプ１の像として結像する共役点の近傍に配置されている。この反射板２２は、光軸に対して垂直な面に平行に設置されており、放電ランプ１寄りの面は全可視光領域を反射する特性を持つが、液晶パネル１１、１３及び１９寄りの面は、例えばアルマイト処理によって黒く塗装されることにより、入射光を吸収する特性を持っている。

図２は、第２フライアイレンズ４に対する反射板２２の形状及び位置関係を示す図であり、図２（ａ）は図１のｚ軸方向（光軸方向）からみた図、図２（ｂ）は図１と同じ方向からみた図である。反射板２２は、面積が第２フライアイレンズ４のおよそ１／４となっており、位置は第３象限に設置されている。

第１，２，４象限に入射した光束は、第２フライアイレンズ４を透過した後、ＰＳコンバータ５により、特定の直線偏光（液晶パネル１１や１３や１９の入射面側の偏光板を透過する直線偏光）に変換される。

一方で、反射板２２に入射した光束は、再び放電ランプ１に戻っていく。図３は、反射板２２により反射された光の光路の一例を示す。反射された光は、第２フライアイレンズ４、第１フライアイレンズ３を透過し、リフレクター２で反射されて、放電ランプ１の２つの電極間に形成される発光領域に戻る。この電極間近傍に戻ってきた光束のうちの一部は電極によって散乱、吸収されるが、残りの光束は電極間の発光領域を透過する。発光領域を透過した光束は、リフレクター２で反射され、第１フライアイレンズ３、第２フライアイレンズ４を透過する（光のリサイクル）。この結果、反射板２２で反射された光(リサイクル光)は反射板２２のない領域に移動し、ＰＳコンバータ５に入射して特定の直線偏光に変換される。反射板２２は第３象限にあるので（図２）、反射板２２で反射された光束は、リサイクルされた結果第１象限に到達することになる。

以上の結果、放電ランプ１から出射した光束は第３象限からは透過できず、第１、第２、第４象限のいずれかを透過することになる。また、第３象限に入射した光束も、再び第１象限に戻るため、光束を有効に利用できている。

ＰＳコンバータ５を透過した光束は、コンデンサーレンズ６によって集光されつつダイクロイックミラー７に入射する。ダイクロイックミラー７は、赤色波長帯域の光束を反射し、緑色、青色波長帯域の光束を透過する。ダイクロイックミラー７を透過した緑色、青色波長帯域の光束は２枚目のダイクロイックミラー８に入射する。ダイクロイックミラー８は、緑色波長帯域の光を反射し、青色波長帯域の光束を透過する。これらの作用によって、放電ランプ１から出射した光束は赤、緑、青色の光に分割される。分割された赤色の光束は、反射ミラー９及びフィールドレンズ１０を経て赤色表示用の液晶パネル１１を照明する。分割された緑色の光束は、フィールドレンズ１２を経て緑色表示用の液晶パネル１３を照明する。分割された青色の光束は、リレーレンズ１４、反射ミラー１５、リレーレンズ１６、反射ミラー１７及びフィールドレンズ１８を経て青色表示用の液晶パネル１９を照明する。

図４は、コンデンサーレンズ６以降の光路を液晶パネル１１の照明光について示す図であり、図４（ａ）は図１のコンデンサーレンズ６・フィールドレンズ１０間の光学素子を省いて簡略に表示した図、図４（ｂ）は図１のｚ軸方向（光軸方向）からみた図である。図２に示したような反射板２２を配置したことにより、第１，２，４象限に入射した光束は液晶パネル１１を照明するが、第３象限に入射した光束は反射板２２に遮られて液晶パネル１１を照明しない。液晶パネル１３及び１９についても全く同様であり、第１，２，４象限に入射した光束は液晶パネル１３及び１９を照明するが、第３象限に入射した光束は反射板２２に遮られて液晶パネル１３及び１９を照明しない。

液晶パネル１１、１３及び１９は、ＶＡ方式の液晶パネルでありである。ＶＡ方式では、電源オフ時に液晶は基板に対してほぼ垂直に立っているため黒表示になり、電源オン時には液晶が水平に倒れるため白表示となる。液晶パネル１１、１３及び１９は、プレチルト角が８０度、プレチルト方向が４５度、リタデーション（Δｎｄ）が３９０ｎｍとなっている。また、液晶の前後に置かれた偏光板の方位角は０度、９０度に設定されている。なお、ここでプレチルト角とは基板に平行な面に対する角度であり、プレチルト方向および変更板の方位角は、基板に平行なｘ、ｙ平面上でのｘ軸に対する角度を示している。

図５は、液晶パネル１１、１３及び１９の視野角特性の計算値（円の半径方向に入射角θ＝０〜２０度をとり、円周方向に方位角ψ＝０〜３６０度をとった等コントラスト線）を示す図である。これらの液晶パネルのプレチルト方位が４５度、プレチルト角が８０度であり、ψ＝４５度、θ＝１0度方向からこれらの液晶パネルをみると垂直に立った液晶分子を見ることになるため、光の透過が減少し結果的にコントラストが上昇する。本計算値では、この位置でのコントラスト比は２０００：１を超えている。一方で、ψ＝２２５度、θ＝１０度方向から見た場合、コントラスト比は最も低くなり５００：１以下になることが分かる。

この液晶プロジェクターでは、反射板２２を配置したことによって第１，２，４象限に入射した光束のみが液晶パネル１１、１３及び１９を照明するので、液晶パネル１１、１３及び１９には０＜ψ＜１８０度、２７０<ψ＜３６０度の角度方向からのみ光が入射し、１８０<ψ＜２７０度の角度方向からは光が入射しない。その結果、図５の視野角特性から、液晶パネル１１、１３及び１９には、コントラストの低い角度方向からは光束は入射せず、コントラストの比較的高い角度方向からのみ光が入射することになる。

液晶パネル１１、１３、１９の画素には、それぞれＲ、Ｇ、Ｂ信号に応じた駆動電圧が印加される。そして、図１に示すように、液晶パネル１１で変調された赤色の光束と、液晶パネル１３で変調された緑色の光束と、液晶パネル１９で変調された青色の光束とが、クロスプリズム２０で合成され、投影レンズ２１によってスクリーン(図示していない)上に投影される。

以上の結果、黒表示を行ったときにスクリーンに達する光束を減らすことが可能となり、コントラストの高い画像を表示できることになる。また、液晶パネル１１、１３、１９を光軸に対して傾けたりしないので、これらの液晶パネルの位置合せの複雑化を招いたり画像をぼやけさせたりすることはない。

さらに、図３に示したように、第３象限に入射した光束が、反射板２２で反射された後リフレクター２で再び反射され、今度は第１象限に達して反射板２２に遮られることなく液晶パネル１１、１３及び１９に入射する（すなわちコントラストの高い角度方向から液晶パネル１１、１３及び１９に入射する）。したがって、光利用効率を高めることもできる。

また、反射板２２で遮られない光束の一部は、コンデンサーレンズ６やフィールドレンズ１０、１２及び１８で反射されて反射板２２に戻るが、こうして反射板２２に戻った光が反射板２２で再び反射されると、コントラストの低い角度方向から液晶パネル１１、１３及び１９に入射することにより、コントラストの向上の妨げになることがある。

これに対し、前述のように、反射板２２は、液晶パネル１１、１３及び１９寄りの面が入射光を吸収する特性を持っている。これにより、コンデンサーレンズ６やフィールドレンズ１０、１２及び１８で反射された光が反射板２２で再び反射されて液晶パネル１１、１３及び１９に入射することがなくなるので、コントラストを一層高めることができるようになっている。

＜反射板の変更例＞
次に、反射板２２の変更例をいくつか説明する。図１の光学系では第２フライアイレンズ４とＰＳコンバータ５との間に反射板２２を設置したが、他の例として、反射板２２を設置する代わりに、第２フライアイレンズ４に反射領域を形成したり、ＰＳコンバータ５に反射領域を形成してもよい。

図６は、第２フライアイレンズ４に反射領域を形成した例を示す図であり、図６（ａ）は図１のｚ軸方向（光軸方向）からみた図、図６（ｂ）は図１と同じ方向からみた図である。第２フライアイレンズ４の第３象限の位置に、例えば誘電体多層膜（またはアルミニウム製のミラー）を使って、反射領域２３を形成している。

また、図１では図示を省略しているが、一般に、第１フライアイレンズ３と第２フライアイレンズ４との間、もしくは第２フライアイレンズ４とＰＳコンバータ５との間には、ＰＳコンバータ５上の適切な領域に光束を入射させるために、第１フライアイレンズ３もしくは第２フライアイレンズ４の各レンズの周辺部分からの出射光を遮る遮光板が配置される。そこで、反射板２２を設置する代わりに、この遮光板の一部に、全ての入射光を反射する反射領域を設けてもよい。

図７は、第２フライアイレンズ４とＰＳコンバータ５との間に配置する遮光板に反射領域を設けた例を示す図であり、図７（ａ）は第２フライアイレンズ４に対するこの遮光板の形状を光軸方向からみた図、図７（ｂ）はこの遮光板の設置位置を図１と同じ方向からみた図である。この遮光板２４は、第１，２，４象限の位置には、通常の遮光板と同じく、第２フライアイレンズ４の各レンズの中心部分からの出射光を通すための開口を有しているが、第３象限の位置には、全ての入射光を反射する反射領域２５が設けられている。

図１の反射板２２や図６、図７の反射領域２３、２５は面積を第２フライアイレンズ４のおよそ１／４に設定しているが、これらの反射板や反射領域の面積は、液晶パネルの視野角特性、製品として必要なコントラスト特性、輝度特性などを加味した上で決めるべきものであり、特に１／４に限定するものではない。

図１の反射板２２や図６、図７の反射領域２３、２５は形状が四角形となっているが、これらの反射板や反射領域の形状はこれに限るものではない。図８は、第２フライアイレンズ４に三角形状の反射領域を形成した例を示す図であり、図８（ａ）は図１のｚ軸方向（光軸方向）からみた図、図８（ｂ）は図１と同じ方向からみた図である。第２フライアイレンズ４の第２象限の左下半分、第３象限、第４象限の左下半分の位置に、第２フライアイレンズ４のおよそ１／２の面積の三角形状の反射領域２６を形成している。

この図８の例の場合にも、液晶パネル１１、１３及び１９の視野角特性が図５に示したようなものであれば、これらの液晶パネルに入射する際の角度方向が１３５<ψ<３１５度となる（コントラストの低い角度方向になる）部分の光束が、反射領域２６で反射され、その後０<ψ<１３５、３１５<ψ<３６０度の角度方向（コントラストの高い角度方向）からこれらの液晶パネルに入射することになるため、より高いコントラストを実現することができる。

＜その他＞
以上の例では、液晶パネルに入射する際の角度方向がコントラストの低い角度方向になる部分の光束を、反射板または反射領域で反射して放電ランプに戻している。しかし、これに限らず、液晶パネルに入射する際の角度方向がコントラストの低い角度方向になる部分の光束を、単に遮光するようにしてもよい。その場合にも、やはり、液晶パネルの位置合せの複雑化を招いたり画像をぼやけさせたりすることなく、高いコントラストを有する液晶プロジェクターを実現することができる。

また、以上の例では、ＶＡ方式の液晶表示素子を用いた３板式の液晶プロジェクターに本発明を適用しているが、本発明はこれに限るものではなく、視野角特性を持つ光変調素子を用いた全ての投射型の画像表示装置に適用することができる。

本発明による液晶プロジェクターの光学系を示す図である。 図１の反射板の形状を示す図である。 図１の液晶プロジェクターにおける光のリサイクル光路の一例を示す図である。 図１の液晶プロジェクターにおけるコンデンサーレンズ以降の光路を示す図である。 図１の液晶パネルの視野角特性を示す図である。 図１の第２フライアイレンズに反射領域を形成した例を示す図である。 遮光板に反射領域を設けた例を示す図である。 第２フライアイレンズに形成する反射領域を三角形状にした例を示す図である。

符号の説明

１ 放電ランプ
２ リフレクター
３ 第１フライアイレンズ
４ 第２フライアイレンズ
５ ＰＳコンバータ
６ コンデンサーレンズ
７ ダイクロイックミラー
８ ダイクロイックミラー
９ 反射ミラー
１０ フィールドレンズ
１１ 透過型液晶パネル
１２ フィールドレンズ
１３ 透過型液晶パネル
１４ リレーレンズ
１５ 反射ミラー
１６ リレーレンズ
１７ 反射ミラー
１８ フィールドレンズ
１９ 透過型液晶パネル
２０ クロスプリズム
２１ 投影レンズ
２２ 反射板
２３ 反射領域
２４ 遮光板
２５ 反射領域
２６ 反射領域

Claims (6)

1. 光源を含む照明装置と、前記照明装置からの照明光を映像信号に応じて変調する光変調素子と、前記光変調素子の像を結像させる投影レンズとを有する投射型の画像表示装置において、
   前記光源は放電ランプであり、
   前記光変調素子はＶＡ(Vertically Aligned)方式の液晶表示素子であり、
   前記照明装置は、
   前記放電ランプからの光を反射して略平行光とする放物面形状のリフレクターと、
   前記リフレクターからの光束の照度分布を均一化するための第１及び第２のフライアイレンズと、
   前記放電ランプの発光領域と略共役の位置に配置されており、前記第２のフライアイレンズの第１〜第４象限のうち、前記液晶表示素子の視野角特性においてコントラスト比が最も低くなる方位角に対応した１つの象限全体に入射した光束を反射する反射素子とを備え、
   前記反射素子で反射された光束が、前記リフレクターで反射されて前記放電ランプの前記発光領域に戻り、前記発光領域を透過した光束が、前記リフレクターで反射され、前記第１のフライアイレンズ及び前記第２のフライアイレンズの第１〜第４象限のうち前記反射素子で反射されない象限を透過する
   画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記照明装置は、前記第２のフライアイレンズからの光束を特定の直線偏光に変換する偏光変換素子をさらに含んでおり、
   前記反射素子は、前記第２のフライアイレンズと前記偏光変換素子との間に配置されている
   画像表示装置。
3. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記反射素子は、前記第２のフライアイレンズの一部に設けられている
   画像表示装置。
4. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記照明装置は、前記第２のフライアイレンズからの光束を特定の直線偏光に変換する偏光変換素子をさらに含んでおり、
   前記反射素子は、前記偏光変換素子の一部に設けられている
   画像表示装置。
5. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記照明装置は、前記第２のフライアイレンズからの光束を特定の直線偏光に変換する偏光変換素子と、前記第２のフライアイレンズと前記偏光変換素子との間に配置されており前記第２のフライアイレンズのレンズ周辺部分からの出射光を遮光する遮光板とを含んでおり、
   前記反射素子は、前記遮光板の一部に設けられている
   画像表示装置。
6. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記反射素子は、前記液晶表示素子寄りの面に、光を吸収する材料が用いられている
   画像表示装置。

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