JP4400110B2 - 光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源側からの白色光をR,G,B光の3色光に分離した後、其々の色光に対応した映像表示素子に照射し、該映像表示素子で映像信号に応じて画素毎の濃淡に変える光強度変調を行って、光学像を形成し、その光学像をスクリーンなどに映像として拡大投射する3板式の投射型映像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、光源からの光を映像表示素子で映像信号に応じて画素毎に濃淡を変える光強度変調(空間光変調ともいう)を行い、光学像を形成し、その光学像を投射レンズにて拡大投射する光学ユニットを搭載した投射型映像表示装置が知られている。映像表示素子としては、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、マイクロミラーパネルなどが知られている。
【0003】
近年、投射型映像表示装置では、高輝度・高画質であることが要求されている。このため、従来、例えば、映像表示素子として透過型液晶パネルを3枚用い、光源からの光を2つのレンズアレイを用いたインテグレータ照明光学系で複数光束に分割し、これらの光束を2つの集光レンズで液晶パネル上に重畳させて均一照明する3板式の投射型映像表示装置が広く用いられている。
【0004】
光源からの光が、各液晶パネルを正しく照射する構成が、例えば下記特許文献1に開示されている。下記特許文献1では、その図1の実施形態(5頁乃至8頁)で述べられているように、R透過GB反射ダイクロイックミラー106を透過後のR光路に第1の負レンズ109を、R透過GB反射ダイクロイックミラー106を反射後のGB光路に第2の負レンズ110を設け、さらに、第1の負レンズ109,第2の負レンズ110および第2のリレーレンズ113を光軸に平行な方向および垂直な方向に移動させる調整部を設けて、光源光が各液晶パネル115,116,117を正しく照射するように、第1の負レンズ109,第2の負レンズ110および第2のリレーレンズ113を各々独立に調整できるようにしている。その調整は、光軸に平行な方向の移動で照射範囲(照射面積)の大きさを、垂直な方向の移動で照射位置を変えるものである。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−90885号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、前記特許文献1に開示されている技術では、第1の負レンズ109,第2の負レンズ110および第2のリレーレンズ113を、各々独立に、光軸に平行な方向および垂直な方向に移動させ、各色光の対応する第1〜第3の液晶パネル115〜117上の照射位置および照射範囲を独立に調整できるようにして、光学部品の製造上の正規位置からのずれに起因する液晶パネルに集光する照射位置のずれの補正を各色光毎に最適化することができ、かつ液晶パネルに入射する光線の角度変化を抑え、投射される光量の減少を抑えることができ、照明欠けがなく明るい投射型映像表示装置を実現している。
【0007】
しかし、前記負レンズを設けて、集光レンズ105の収束光束を発散させるように屈折しても、光軸に平行な平行光線とはならないので、G反射ダイクロイックミラー107には依然として入射角度の異なる光束が入射する。
【0008】
一般に、ダイクロイックミラーには光線の入射角度によって異なる波長範囲の光を透過、及び反射するという特性(入射角依存性)がある為、前記例では、例えばG光用液晶パネル116,B光用液晶パネル117の左右で、照射される光の色が異なるという色むらの問題が生じる可能性がある。
【0009】
これを解決する手段として、一般に、ダイクロイックミラーに左右の光線角度差による影響を補正するウェッジコートをかける公知の手法が用いられるが、低価格化に対し不利となり、またウェッジコートの製造上のばらつきにより、色むらが残存する可能性が残る。
【0010】
また、光源として超高圧水銀ランプを用いる場合、図2に示す分光エネルギー分布から明らかなように、ランプのスペクトル特性として赤色の光量が少なく、色再現性が不充分となる問題がある。
【0011】
前記特許文献1に開示されている技術では、かかる課題について十分に考慮されていない。
【0012】
本発明は、かかる課題を鑑みて成されたもので、その目的は、前記課題を解決し、3色に分離された各色光の対応する液晶パネル上への照射位置と照射範囲を、色再現性を良好に保ちながら、色光毎に独立に調整できる光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記課題点を解決するために、本発明では、 光源と、該光源からの白色光を赤色光、緑色光、青色光に分離する第1及び第2のダイクロイックミラーと、分離した複数の各成分毎に各色光を変調する3個のライトバルブ手段と、該ライトバルブ手段からの光を合成する合成手段と、合成後の変調光を投射表示する投射手段と、前記第1のダイクロイックミラーと前記第2のダイクロイックミラーとの間の光路、及び前記第1のダイクロイックミラーでの反射直後の光路に、前記光源からの白色光を略平行光とする第1及び第2の集光レンズを備えた構成とする。
【0014】
本発明により、赤色光と緑色光の映像表示素子上における集光位置を其々独立して調整できる為、従来に対して映像表示素子上における光の照射範囲を縮小でき、高輝度化に有利となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、全図において、共通な機能を有する部分には同一符号を付して示し、一度説明したものについては、煩雑さを避けるために、その繰り返した説明を省略する。
【0016】
本発明は、3板式の投射型映像表示装置において、光源から照射される白色の収束光を最初に第1の色光とその補色光(例えばR光とGB光)の2色光に分離する第1のダイクロイックミラーの後の各色光の光路上で、第1のダイクロイックミラーと第1の色光をこれに対応する第1の映像表示素子側方向に折り返すミラーとの間に、そして、第1ダイクロイックミラーと前記補色光を第2の色光と第3の色光に分離する第2のダイクロイックミラーとの間に、それぞれ集光レンズを配置したことに特徴がある。
【0017】
図1は本発明を3板式投射型液晶表示装置の光学ユニットに適用した一実施形態の上面概略図である。
【0018】
図1において、光源1の例えば超高圧水銀ランプのようなランプ1aより出射した光は、放物反射面鏡リフレクタ1bで反射され、前面ガラス2を透過した後、公知のレンズアレイ方式のインテグレータ光学系に入射する。インテグレータ光学系は、放物反射面鏡リフレクタ1bの出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた矩形状の複数のレンズセルにより構成され、複数の2次光源像を形成するための第1のレンズアレイ3と、同様に矩形状の複数のレンズセルにより構成され、前述の複数の2次光源像が形成される近傍に配置されて、かつ液晶パネル16に第1のレンズアレイ3の個々のレンズセル像を結像させる第2のレンズアレイ4とからなる。インテグレータ光学系で複数光束に分割された各光束は偏光変換素子5で所定偏光方向(例えばS偏光)に揃えられ、S偏光に揃えられた各光束は、第1集光レンズ6により集光され、第2集光レンズ8により平行光とされた後、液晶パネル16上に重畳して照射され、液晶パネル16は均一な照明がなされる。
【0019】
この経路の途中で、第1集光レンズ6を出射した光は、光軸に対して45°の角度に配置された光源からの白色光をR(赤色)光とG(緑色)B(青色)光に分離する色分離手段であるR反射ダイクロイックミラー7により、GB光は透過し、R光は反射する。そして、R反射ダイクロイックミラー7を透過したGB光は、G反射ダイクロイックミラー9により、G光は反射し、B光は透過する。
【0020】
R光は、第2集光レンズ8Rにより平行光とされた後、R用全反射ミラー11Rによりその光路を90°折り曲げられて、温度上昇の原因となる赤外線を除去する為のIRカットフィルターが設けられた透光性基板14R及び入射偏光板15Rを通過し、透過型の液晶パネル16Rに入射する。そして、液晶パネル16Rでは光強度変調されて、液晶パネル16Rの出射側に設けられた前置出射偏光板17R及び出射偏光板18Rを通過し、ダイクロイックプリズム19に入射する。
【0021】
液晶パネル16Rでは、外部より駆動される映像信号(図示せず)に従って、液晶パネル16Rの各画素を形成する液晶セル毎にその偏光方向が変わり、最終的に前置出射偏光板17R,出射偏光板18Rの偏光方向と一致する方向になった光が出射され、その偏光方向と直交方向になった光は前置出射偏光板17R及び出射偏光板18Rで吸収される。このようにして、外部より入力する映像信号に応じて光の濃淡に変える光強度変調が行われて、光学像である画像が形成される。
【0022】
一方、R反射ダイクロイックミラー7を透過したB光とG光は、第2集光レンズ8Gによって平行光とされ、G反射ダイクロイックミラー9に入射する。このG反射ダイクロイックミラー9によりG光は反射し、色再現性を向上させる為のトリミングフィルターであるダイクロイックフィルターが設けられた透光性基板14G及び入射偏光板15Gを通過し、液晶パネル16Gに入射する。そして、液晶パネル16Gでは光強度変調されて、液晶パネル16Gの光の出射側に設けられた前置出射偏光板17G及び出射偏光板18Gを通過し、ダイクロイックプリズム19に入射する。
【0023】
また、G反射ダイクロイックミラー9を透過したB光は、第1リレーレンズ10を透過し、B光用全反射ミラー11Baによりその光路を90°折り曲げられて第2リレーレンズ12を透過後、B光用全反射ミラー11Bbによりその光路を90°折り曲げられて、液晶パネル前に設けられているコンデンサレンズ13により平行光とされる。その後、偏光板劣化の原因となる紫外線を除去する為に配置されたUVカットフィルターが設けられた透光性基板14B及び入射偏光板15Bを通過し、透過型の液晶パネル16Bに入射する。そして、液晶パネル16Bでは光強度変調されて、液晶パネル16Bを透過した後、液晶パネル16Bの光の出射側に設けられた前置出射偏光板17B及び出射偏光板18Bを通過し、ダイクロイックプリズム19に入射する。
【0024】
ダイクロイックプリズム19は、ダイクロイックミラー面(図示せず)で入射したR光,B光を反射し、G光を透過させて色合成し、投射手段20に出射する。そして、投射手段20はダイクロイックプリズム19で色合成された画像を図示しないスクリーンに拡大して投射する。
【0025】
ここで、光源光が各液晶パネル16R,16G,16Bを正しく照射するように、第2集光レンズ8R,8Gおよび第2リレーレンズ12にそれぞれ光軸に直交する面内で2次元方向に移動可能なおよび光軸に平行な方向に移動可能な位置調整手段30を設けている。
【0026】
これらの位置調整手段30により、光軸に垂直な方向の移動で照射位置を、光軸に平行な方向の移動で照射範囲(照射面積)の大きさを、各々独立に調整できるようにしている。
【0027】
なお、第2集光レンズ8R,8Gは、従来技術で配置されていた液晶パネルの近傍位置から本発明による位置に配置されるにあたり、配置された位置に適した曲率のレンズが用いられることはいうまでもない。
【0028】
また、透光性基板14と入射偏光板15、および、前置出射偏光板17と出射偏光板18は所定の間隔で対向して配置されているが、これは、図示しない冷却手段(例えば冷却ファン)から送風される冷却風が通る風路を形成するためである。冷却風が通る風路を形成して、偏光板で生じる熱を効率的に放熱させる。
【0029】
以上述べたように、本実施形態では、従来液晶パネル18R,18Gの近傍に配置されていた第2集光レンズを、R光路ではR反射ダイクロイックミラー7とR用全反射ミラー11Rとの間に配置し、GB光路ではR反射ダイクロイックミラー7とG反射ダイクロイックミラー9との間に配置して、第1集光レンズ6からの収束光束を平行光束となるようにしている。従って、光軸に45°傾斜して設けられたG反射ダイクロイックミラー9には、入射角度がほぼ45°の光軸に平行な光束が入射するので、ダイクロイックミラーの反射、透過特性に表れる入射角依存性を低減でき、従来用いられていたウェッジコートをなくすことができるので、所定の良好な色再現性を確保しながら、コストダウンを図ることができる。
【0030】
図3は図1からG光路の液晶パネルまでの部分を抜き出して、直線上に展開表記した図である。図3において、光源1からの光束はレンズアレイ方式のインテグレータ光学系で複数光束に分割され、偏光変換素子5で所定偏光方向に揃えられて、第1集光レンズ6で収束光束とされ、第2集光レンズ8Gで平行光束された後に液晶パネル16Gに照射される。このとき、収束光束を平行光束とする第2集光レンズ8Gにより、2枚目のG反射ダイクロイックミラー9において入射角が光軸の左右で略相等しく、光束の左右角度差を生じず、ダイクロイックミラー9にはウェッジコートをかける必要が無い。このため、低価格化に優位となり、またウェッジコートのばらつきによる影響も、1枚目のダイクロミラー7だけになる為、従来比半分に低減される。
【0031】
図1に戻って、また、第2集光レンズ8R,8Gおよび第2リレーレンズ12には、それぞれ、光軸に直交する面内で2次元方向に移動可能なおよび光軸に平行な方向に移動可能な位置調整手段30R,30G,30Bを設けている。そして、光軸に直交する面内の垂直な方向の移動で照射位置を、光軸に平行な方向の移動で照射範囲(照射面積)を、各々独立に調整できるようにしている。
【0032】
従って、光源として赤色光量の少ない超高圧水銀ランプを用いた場合、第2集光レンズ8Gと第2リレーレンズ12の位置を光軸に平行に若干液晶パネル側から遠ざかる方向に移動させ、照明範囲を広げて、R光の光量、及び単色の色度を変化させること無く、GB光の光量のみを減少させることができる。これにより明るさは低下するが、R光量の少ない超高圧水銀ランプを用いた場合でも良好な色再現性が実現できる。勿論、第2集光レンズ8Rの位置を光軸に平行に少し液晶パネル側に近づけて、液晶パネル上の照明範囲を照明欠けが生じない程度に狭め、R光の光量を増してもよいことはいうまでもない。
【0033】
前記で述べた効果を効果的にするため、R反射ダイクロイックミラー7とR用全反射ミラーとの間、および、R反射ダイクロイックミラー7とG反射ダイクロイックミラー9との間に配置している位置調整手段30を備えた第2集光レンズ8を、液晶パネルとインテグレータ光学系を構成する第2のレンズアレイ4との略中間の位置に配置する。
また本発明により、第2集光レンズ8R,8Gの曲率のみの変更で、同一の光学ユニットによる明るさ重視の投射型映像表示装置と、色再現性重視の投射型映像表示装置が実現でき、初期投資費用が大幅に削減可能となる。
【0034】
以上述べた実施形態では、ダイクロイックミラー7でR光を反射し、GB光を透過する形式をとっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばダイクロイックミラー7でB光を反射し、RG光を透過する形式としてもよいことはいうまでもない。また、光源方向を変えて、R光はダイクロイックミラー7を透過させ、GB光は反射させるようにしてもよい。
【0035】
また、第1のダイクロイックミラー7でB光を反射し、RG光を透過する形式の場合、R光とG光を分離する第2のダイクロイックミラーの分離特性は、光源として超高圧水銀ランプを用いるとき、図2に示す分光エネルギー分布から明らかなように、G光とR光の間に黄色成分があるので、半値波長のばらつきの影響を受け易く、これに加えて、ダイクロイックミラーに入射する入射角度が45°からずれると、入射角依存性の影響も受ける。従って、ダイクロイックミラーの半値波長が所定どおりとしても、入射角依存性は残り、例えばG光が黄緑色となり色純度が悪くなる。この場合、本発明は、R光とG光を分離する第2のダイクロイックミラーへの入射光を光軸に略平行として、第2のダイクロイックミラーへの入射角度を略45°に揃えることができるので、入射角依存性を低減でき、特に有効である。
【0036】
図4は前記した本発明の実施形態である光学ユニットを搭載した投射装置の模式図である。図4において、図1,図3に同じ機能を有する要素には同一符号を付して示す。
【0037】
図4において、投射装置310は、前記した本発明による実施形態である光学ユニット300と液晶パネルに光学像を形成させるように表示駆動を行う表示駆動回路301とからなる。以下、投写装置310の機能を述べる。
【0038】
図4において、光源1からの光は図示しない偏光変換素子で所定偏光に揃えられ、図示しない色分離手段(例えば図1のR反射ダイクロイックミラー7、G反射ダイクロイックミラー9)でR,G,B光に分離されて透過型の液晶パネル16(16R,16G,16B)に照射される。液晶パネル16では表示駆動回路301からの映像信号に応じて色光毎に前記所定偏光の偏光方向が変えられ、各色光の濃淡に変えられる光強度変調が行なわれて、光学像が形成される。各色光の該光学像は図示しない色合成手段(例えば図1のダイクロイックプリズム19)で合成されて投射手段20で拡大されて投写される。
【0039】
図5は前記投射装置を投射型映像表示装置のうちの一形態である背面投射型映像表示装置に適用した一実施形態であり、側面から見た概略断面図である。図5において、投射装置310からの投射映像光は背面ミラー311でスクリーン312方向に光路を折り返えされて、スクリーン312の背面側から投射される。なお、313は背面投写型映像表示装置の筐体である。
【0040】
以上述べた実施形態では、位置調整手段を光軸に直交する面内で2次元方向に移動可能および光軸に平行な方向に移動可能であるとしたが、これに限定されるものではなく、少なくとも、光軸に直交する面内で2次元方向に移動可能であればよいことはいうまでもない。このようにすることにより、輝度が低下するが、液晶パネル上での照射範囲のマージンを少し大きくすることで対応可能である。
【0041】
以上のように、映像表示素子上における光源からの光の照射位置と照射範囲をRGBの各色光において独立に調整でき、従来に対して映像表示素子上における光線照射範囲を可変することが可能となり、色再現性を良好に保つことができ、高輝度化にも有利となる。
【0042】
また第2ダイクロイックミラーに入射する光線が平行光となる為、第2ダイクロイックミラーにおける光線角度の左右差による色むらを低減でき、この点からも良好な色再現性を図れる。
【0043】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、投射型映像表示装置の高画質化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を3板式投射型液晶表示装置の光学ユニットに適用した一実施形態の上面概略図である。
【図2】超高圧水銀ランプの分光エネルギー分布図である。
【図3】図1からG光路の液晶パネルまでの部分を抜き出して、直線上に展開表記した図である。
【図4】前記した本発明の実施形態である光学ユニットを搭載した投射装置の模式図である。
【図5】投射装置を投射型映像表示装置のうちの一形態である背面投射型映像表示装置に適用した一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
1…光源、2…前面ガラス、3…第1のレンズアレイ、4…第2のレンズアレイ、5…偏光変換素子、6…第1集光レンズ、7…R反射ダイクロイックミラー、8…第2集光レンズ、9…G反射ダイクロイックミラー、10…第1リレーレンズ、11…全反射ミラー、12…第2リレーレンズ、13vコンデンサレンズ、14…透光性基板、15…入射偏光板、16…液晶パネル、17…前置出射偏光板、18…出射偏光板、19…ダイクロイックプリズム、20…投射手段、30…位置調整手段、300…光学ユニット、310…投射装置、301…表示駆動回路、311…背面ミラー、312…スクリーン、313…筐体。
Claims (6)
- 光源と、
複数のレンズセルを有するレンズアレイと光束を所定偏光方向に変換する偏光変換素子とを具備し、前記光源からの出射光を複数光束に分割、所定偏光方向とするインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系の後に設けられ、前記インテグレータ光学系から出射された光束を集光する第1の集光レンズと、
前記第1の集光レンズで集光された白色光から第1の色光と2色光に分離する第1のダイクロイックミラーと、
前記2色光を第2の色光と第3の色光に分離する第2のダイクロイックミラーと、
前記第1の色光を変調する第1のライトバルブ手段と、
前記第2の色光を変調する第2のライトバルブ手段と、
前記第3の色光を変調する第3のライトバルブ手段と、
前記第1のライトバルブ手段と前記第2のライトバルブ手段と前記第3のライトバルブ手段からの変調光を合成する合成手段と、
合成後の変調光を投射表示する投射手段と、
前記第1のダイクロイックミラーでの透過後の光路に配置され、前記2色光のうち、少なくとも前記偏光変換素子の出射面と光軸との交点近傍から射出し、前記第1のダイクロイックミラーを透過し、前記第2のダイクロイックミラーに入射する光束を略平行光とする第2の集光レンズと、
前記第1のダイクロイックミラーでの反射後の光路に配置され、前記第1の色光のうち、少なくとも前記偏光変換素子の出射面と光軸との交点近傍から射出し、前記第1のダイクロイックミラーで反射した光束を略平行光とする第3の集光レンズとを備えたことを特徴とする光学ユニット。 - 光源と、
複数のレンズセルを有するレンズアレイと光束を所定偏光方向に変換する偏光変換素子とを具備し、前記光源からの出射光を複数光束に分割、所定偏光方向とするインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系の後に設けられ、前記インテグレータ光学系から出射された光束を集光する第1の集光レンズと、
前記第1の集光レンズで集光された白色光から第1の色光と2色光に分離する第1のダイクロイックミラーと、
前記2色光を第2の色光と第3の色光に分離する第2のダイクロイックミラーと、
前記第1の色光を変調する第1のライトバルブ手段と、
前記第2の色光を変調する第2のライトバルブ手段と、
前記第3の色光を変調する第3のライトバルブ手段と、
前記第1のライトバルブ手段と前記第2のライトバルブ手段と前記第3のライトバルブ手段からの変調光を合成する合成手段と、
合成後の変調光を投射表示する投射手段と、
前記第1のダイクロイックミラーでの透過後の光路に配置され、前記2色光のうち、少なくとも前記偏光変換素子の出射面の中央近傍から射出し、前記第1のダイクロイックミラーを透過し、前記第2のダイクロイックミラーに入射する光束を略平行光とする第2の集光レンズと、
前記第1のダイクロイックミラーでの反射後の光路に配置され、前記第1の色光のうち、少なくとも前記偏光変換素子の出射面の中央近傍から射出し、前記第1のダイクロイックミラーで反射した光束を略平行光とする第3の集光レンズとを備えたことを特徴とする光学ユニット。 - 請求項1乃至請求項2の何れか一項に記載の光学ユニットにおいて、
前記第2の集光レンズおよび前記第3の集光レンズの少なくともいずれか一方は、光軸に略直交する面内で、2次元方向の位置調整を行なう調整手段を備えたことを特徴とする光学ユニット。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の光学ユニットにおいて、
前記第2のダイクロイックミラーを透過した光が入射されるリレーレンズを有し、該リレーレンズは、光軸に略直交する面内で、2次元方向の位置調整を行なう調整手段を備えたことを特徴とする光学ユニット。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の光学ユニットにおいて、
前記インテグレータ光学系から前記第1の集光レンズ、及び前記第1のダイクロイックミラーを経て、前記第1のライトバルブに至る光路の略中央の位置に、前記第3の集光レンズが配置され、
または、前記インテグレータ光学系から前記第1の集光レンズ、及び前記第1のダイクロイックミラーを経て、前記第2のライトバルブに至り、リレーレンズを有していない光路の略中央の位置に、前記第2の集光レンズが配置されることを特徴とする光学ユニット。 - 請求項1乃至請求項5何れか一項に記載の光学ユニットと、
前記ライトバルブを駆動する駆動回路を有する
ことを特徴とする投射型映像表示装置。
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