JP4497995B2 - 色合成素子、色合成系、投射表示装置、および、画像投射システム - Google Patents

Description

本発明は、液晶プロジェクター等の投射表示装置（投写型画像表示装置）に用いられる色合成素子および色合成系に関するものである。

従来、液晶プロジェクター用の色合成光学系として、図１６に示すようなクロスダイクロプリズムが知られている。

また、液晶プロジェクター用の色合成光学系として、ダイクロイックミラー層（ダイクロイック膜）を交差させない色合成プリズムが、特許文献１および特許文献２で開示されている。特に、特許文献２には、３つないしは４つの三角柱プリズムを接合して、プリズムの屈折率を高めることにより、クロスダイクロプリズムよりもバックフォーカスの増大を小さく抑え、投射光学系の小型を実現することが記載されている。
特開平１１−３３７９００号公報 特開２００１−２９００１０号公報

一般的に、複数のガラスレンズで構成される投射レンズ（投射手段）の色合成プリズム（色合成素子）を含んだ状態での球面収差は、色で形状が異なり、緑がフルコレクションの場合、青がオーバーコレクション、赤がアンダーコレクションとなるものが多い。

図１８に、図１７に示す従来例（体積の異なる３つの三角柱プリズムを接合した色合成プリズムを用いたもの）において、投射レンズを含めた色合成プリズムの光路長が青、緑、赤の３色とも同じ４１．５ｍｍである場合の球面収差を示す。実線は５５０ｎｍの緑色光（Ｇ）、一点鎖線は６２０ｎｍの赤色光（Ｒ）、２点鎖線は４７０ｎｍの青色光（Ｂ）における球面収差を示す。

図１９、２０および２１は、図１７の従来例でのＢ４７０ｎｍ、Ｇ５５０ｎｍ、Ｒ６２０ｎｍのみの球面収差をそれぞれ示したもので、図１９のＢ４７０ｎｍではオーバーコレクション、図２０のＧ５５０ｎｍでは略フルコレクション、図２１のＲ６２０ｎｍではアンダーコレクションとなっている。

図２２、２３および２４は、図１７の従来例でのＢ４７０ｎｍ、Ｇ５５０ｎｍ、Ｒ６２０ｎｍの各像高におけるスポットダイヤグラムをそれぞれ示したものである。そして、図２２、２３、２４では、５つの像高（上から順に、０ｍｍ、４．９ｍｍ、８．７５ｍｍ、１１．２５ｍｍ、１２．５ｍｍ）におけるスポットダイヤグラムをそれぞれ示している。

青色光では、球面収差がオーバーコレクションなため、解像感は良いが、淡いフレアが多い。一方、赤色光では、球面収差がアンダーコレクションなため、淡いフレアは少ないが、解像感のないややぼけた像となっている。このように色（波長）によって光学特性が異なってしまうため、色合成を行なったとき、青や赤の像が緑の像からはみだしてしまって、解像感のない投射画像となってしまう問題点があった。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、投射表示装置用の色合成素子または色合成系において、波長の異なる色光による光学特性の差を小さくし、より高画質な投射画像を得ることを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の投射表示装置は、青色光用画像変調素子と、緑色光用画像変調素子と、赤色光用画像変調素子と、この３つの画像変調素子で変調された青色光、緑色光、赤色光を投射する投射手段と、ダイクロイック膜を有しこの３つの色光を合成して投射手段に導く色合成素子と、を備える投射表示装置であって、色合成素子内での緑色光の光路長の空気換算値が、色合成素子内での前記青色光の光路長の空気換算値よりも大きく、かつ、色合成素子内での赤色光の光路長の空気換算値よりも小さくなるように、色合成素子が構成されていることを特徴とする。

緑色光に対する青色光の光路長の空気換算値の差の絶対値をΔＢＧ、緑色光に対する赤色光の光路長の空気換算値の差の絶対値をΔＲＧ、緑色光の光路長の空気換算値をＬとするとき、
０．０２＜ΔＢＧ／Ｌ＜０．２
および
０．０２＜ΔＲＧ／Ｌ＜０．１５
を満たすことを特徴とする。

さらに、本発明は、上記の投射表示装置や、その投射表示装置を利用した画像投射システムをも含むものである。

本発明によれば、投射表示装置用の色合成素子または色合成系において、波長の異なる色光による光学特性の差を小さくし、より高画質な投射画像を得ることできる。

以下に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

なお、本発明は、次のことに基づいてなされたものである。
光路長の長い光合成プリズムを、投射レンズと原画像を形成する液晶パネル（画像変調素子）との間に配置した場合、その光合成プリズムは球面収差を補正する効果を有し、特には、光合成プリズム内での光路長が長いほどアンダーな球面収差を補正する効果を有することが分かった。そして、球面収差が色（波長）によって異なってしまう場合には、光合成プリズム内での光路長を各色で異ならせる、または、光合成プリズムと画像変調素子の間に配置された透明基板（平行平面板）の厚さを各色で異ならせることで、球面収差の色差を小さくできることに着目した。

図１は、実施例１の色合成系（画像変調素子と色合成素子を含む）および投射手段を示したものである。

不図示の青色光で照明された原画像５、不図示の緑色光で照明された原画像６、不図示の赤色光で照明された原画像７は、光合成プリズムで色合成される。光合成プリズムは、図中左側から、出射面２Ａと全反射面２Ａを兼ねる面を最も出射側に有する三角柱プリズム２、三角柱の一部が面取りされた三角柱プリズム３、三角柱プリズム４より構成され、三角柱プリズム２と三角柱プリズム３の間の接合面には、可視光のうち、青色光のみを反射するダイクロイックミラー層ＤＭ１が形成され、三角柱プリズム３と三角柱プリズム４の間の接合面には、可視光のうち、赤色光のみを反射するダイクロイックミラー層ＤＭ２が形成されている。３つの原画像５，６，７で変調され、体積の異なる３つの三角柱プリズム２，３，４で色合成された光は、複数のレンズで構成される投射レンズ１により不図示のスクリーン（被投射面）上に拡大投影されることによりカラー画像が得られる。

本実施例において、緑チャンネルのプリズム光路長（プリズム内における光路長）が４１．５ｍｍ、青チャンネルのプリズム光路長が緑チャンネルのプリズム光路長より２ｍｍ短く３９．５ｍｍ、赤チャンネルのプリズム光路長が緑チャンネルのプリズム光路長より２ｍｍ長く４３．５ｍｍ、となるよう光合成プリズムの大きさ（体積）や形状を設計している。このように、プリズム光路長を赤緑青の各チャンネルで異ならせることにより、球面収差の色差を少なくすることができる。

このとき、各色チャンネルのプリズム光路長の空気換算値を以下に示す。
青チャンネル：２４．３３８ｍｍ
緑チャンネル：２５．５７０ｍｍ
赤チャンネル：２６．８０２ｍｍ

さらに、緑チャンネルに対する青チャンネルのプリズム光路長の空気換算値の差の絶対値をΔＢＧ、緑チャンネルに対するに対する赤チャンネルのプリズム光路長の空気換算値の差の絶対値をΔＲＧ、緑チャンネルのプリズム光路長の空気換算値をＬとすると、
ΔＢＧ／Ｌ＝０．０４８
ΔＲＧ／Ｌ＝０．０４８
となっている。

ここで、ΔＢＧ／Ｌは、所定の下限値を超えない領域では、青チャンネルの球面収差を緑チャンネルの球面収差に近づける効果が少なく、所定の上限値を超える領域では、青チャンネルの球面収差の補正が過剰となってしまう。同様に、ΔＲＧ／Ｌは、所定の下限値を超えない領域では、赤チャンネルの球面収差を緑チャンネルの球面収差に近づける効果が少なく、所定の上限値を超える領域では、赤チャンネルの球面収差の補正が過剰となってしまう。

したがって、ΔＢＧ／ＬおよびΔＲＧ／Ｌは、以下の２つの条件式を満たすのが好ましい。
０．０２＜ΔＢＧ／Ｌ＜０．２
０．０２＜ΔＲＧ／Ｌ＜０．１５

図７、８および９は、本実施例でのＢ４７０ｎｍ、Ｇ５５０ｎｍ、Ｒ６２０ｎｍの球面収差をそれぞれ示したものである。

図７では、従来例の図１９と比較して、球面収差のオーバー量が０．１２ｍから０．０７ｍｍに減少している。図８では、図２０と同様に、０．０２ｍｍのオーバーとなっている。図９では、従来例の図２１と比較して、球面収差のアンダー量が０．０３ｍから０．０１ｍｍのオーバーに変化している。

図１０、１１および１２は、本実施例でのＢ４７０ｎｍ、Ｇ５５０ｎｍ、Ｒ６２０ｎｍの各像高におけるスポットダイヤグラムをそれぞれ示したものである。そして、図１０、１１、１２では、５つの像高（上から順に、０ｍｍ、４．９ｍｍ、８．７５ｍｍ、１１．２５ｍｍ、１２．５ｍｍ）におけるスポットダイヤグラムをそれぞれ示している。

図１０では、従来例の図２２と比較して、すべての像高で淡いフレアが減少している。図１２では、従来例の図２４と比較して、像高４．９ｍｍ（上から２番目）における濃いフレアが減少している。

なお、本実施例の原画像５，６，７は、液晶パネルや、自ら発光するエレクトロルミネッセンス素子（ＥＬ素子）であってもよい。

図２は、実施例２の色合成系および投射手段を示したものである。

本実施例は、実施例１と比較して、２つのダイクロイックミラー層ＤＭ１，ＤＭ２の間でプリズムを２つに分割して、三角柱プリズム８と三角柱プリズム９で構成している。これにより、三角柱プリズム８の出射側（図中左側）の有効径を大きくとることができ、三角柱プリズム８による有効光束のケラレを少なくすることができる。他の構成は、実施例１と同様である。

図３は、実施例３の色合成系および投射手段を示したものである。

本実施例では、投射レンズ側（図中左側）の三角柱プリズム４２および三角柱プリズム４３のガラスの屈折率と、図中右側の三角柱プリズム４４および三角柱プリズム４５のガラスの屈折率が異なるように設計されている。これにより、青チャンネルのプリズム光路長の空気換算値を小さくして、色光間の球面収差の差を小さくすることが可能な構成となっている。

三角柱プリズム４２，４３の屈折率は１．６９６８０で、アッベ数は５５．５３であり、三角柱プリズム４４，４５の屈折率は１．５１６３３で、アッベ数は６４．１４である。このとき、青チャンネルのプリズム光路長の空気換算値は、実施例１よりも小さくしている。各色光のプリズム光路長は、青チャンネルでは屈折率１．６９６８０のプリズム光路長が３９．５ｍｍ、緑チャンネルでは屈折率１．６９６８０のプリズム光路長が１５．５ｍｍおよび屈折率１．５１６３３のプリズム光路長が２６ｍｍ、赤チャンネルでは屈折率１．６８９８０のプリズム光路長が１５．５ｍｍおよび屈折率１．５１６３３のプリズム光路長が２８ｍｍとなっている。

このとき、各色チャンネルのプリズム光路長の空気換算値を以下に示す。
青チャンネル：２３．２７９ｍｍ
緑チャンネル：２６．２８２ｍｍ
赤チャンネル：２７．６００ｍｍ
さらに、
ΔＢＧ／Ｌ＝０．１１４
ΔＲＧ／Ｌ＝０．０５０
となっている。

なお、図１３、１４および１５は、本実施例でのＢ４７０ｎｍ、Ｇ５５０ｎｍ、Ｒ６２０ｎｍの球面収差をそれぞれ示したものである。

このように、複数のプリズム間で屈折率を異ならせることで、波長の短い色光ほどプリズム光路長の空気換算値を小さくすることができ、球面収差の色差を小さくできる。さらに、実施例１のように複数のプリズムの体積や形状を異ならせることより、球面収差の色差をさらに改善できる。特に、青色光のプリズム光路長を緑色光よりも短くするように設計すると、大きな効果が得られる。

図４は、実施例４の色合成系および投射手段を示したものである。本実施例は、光合成プリズムとして、クロスダイクロプリズムを用いている。

青色光で照明された液晶パネル２０から発せられた青色光は、偏光板１７を介し、プリズム１４に入射され青色光を反射し、緑色光、赤色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ４により反射され、投射レンズ１２により不図示のスクリーンに投射される。赤色光で照明された液晶パネル２２から発せられた赤色光は、偏光板１９を介し、プリズム１６に入射され赤色光を反射し、緑色光、青色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ３により反射され、投射レンズ１２により不図示のスクリーンに投射される。緑色光で照明された液晶パネル２１から発せられた緑色光は、偏光板１８を介し、プリズム１５に入射されダイクロイックミラー層ＤＭ３，ＤＭ４を透過し、投射レンズ１２により不図示のスクリーンに投射される。

プリズムの光路長は、青チャンネルが緑チャンネルより２ｍｍ短く、赤チャンネルが緑チャンネルより２ｍｍ長くなっており、球面収差の色差を小さくするよう構成されている。緑チャンネルは、プリズム光路長が２６ｍｍで、プリズムの屈折率が１．５１６３３で、アッベ数が６４．１４である。青チャンネルでの屈折率は１．５２３１３で、赤チャンネルの屈折率は１．５１５０７である。

このとき、各色チャンネルのプリズム光路長の空気換算値を以下に示す。
青チャンネル：１５．８２８ｍｍ
緑チャンネル：１７．１４７ｍｍ
赤チャンネル：１８．４６６ｍｍ
さらに、
ΔＢＧ／Ｌ＝０．０７７
ΔＲＧ／Ｌ＝０．０７７
となっている。

図５は、実施例５の色合成系および投射手段を示したものである。

本実施例は、各色チャンネルのプリズム光路長は同じだが、液晶パネル２０，２１，２２と、４つの三角柱プリズム１３，１４，２３，２４で構成されるクロスダイクロプリズムと、の間にそれぞれ配置される透明基板２５，２６の厚みを各色チャンネルで異ならせることで、球面収差の色差を小さくするようにしている。なお、透明基板２５，２６には、偏光板（偏光フィルム）１８，１９がそれぞれ貼り付けられている。

青色光で照明された液晶パネル２０から発せられた青色光は、偏光板（偏光フィルム）１７を介し、プリズム１４に入射され青色光を反射し、緑色光、赤色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ４により反射され、投射レンズ１２により不図示のスクリーンに投射される。青チャンネルにおいては、液晶パネル２０と三角柱プリズム１４に間に透明基板を配置せず、偏光板１７がプリズム１４に直接貼り付けられている。

赤色光で照明された液晶パネル２２から発せられた赤色光は、透明基板２６に貼り付けられた偏光板１９を介し、三角柱プリズム２４に入射され赤色光を反射し、緑色光、青色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ３により反射され、投射レンズ１２により不図示のスクリーンに投射される。

緑色光で照明された液晶パネル２１から発せられた緑色光は、透明基板２５に貼り付けられえた偏光板１８を介し、三角柱プリズム２３に入射されダイクロイックミラー層ＤＭ３、ＤＭ４を透過し、投射レンズ１２により不図示のスクリーンに投射される。

投射レンズ１２と各色の液晶パネル２０，２１，２２の間の透明体の光路長（プリズムおよび透明基板内での光路長）は、青チャンネルが緑チャンネルより２ｍｍ短く、赤チャンネルが緑チャンネルより２ｍｍ長くなっており、球面収差の色差を小さくするよう構成されている。緑チャンネルは、プリズム光路長と透明体の厚さの総和が２８ｍｍで、プリズムおよび透明体の屈折率が１．５１６３３で、アッベ数は６４．１４である。青チャンネルでの屈折率は１．５２３１３で、赤チャンネルでの屈折率は１．５１５０７である。

このとき、各色チャンネルのプリズム光路長と透明体の厚さの総和の空気換算値を以下に示す。
青チャンネル：１７．０７０ｍｍ
緑チャンネル：１８．４６６ｍｍ
赤チャンネル：１９．８０１ｍｍ
さらに、
ΔＢＧ／Ｌ＝０．０７６
ΔＲＧ／Ｌ＝０．０７６
となっている。

なお、本実施例の透明基板２５，２６は、偏光板の冷却効果を高めるためのものであり、ガラス、さらには、ガラスよりも熱伝導率が高いサファイヤ、水晶、蛍石などの結晶体を用いてもよい。さらに、透明基板２５，２６の偏光板が貼られていない側の面を、レンズ曲面として、各色チャンネルの倍率色収差の補正を行なってもよい。

図６は、実施例６として、実施例１の色合成系を組み込んだ投写型画像表示装置（投射表示装置）を示したものである。

光源２５から発せられた、白色光は、放物面鏡２６により、略平行光に変換され、長方形のレンズ駒が複数個マトリックス状に形成された第１フライアイレンズ２７により、第１フライアイレンズ２７のマトリックスに対応する光源像を第２フライアイレンズ２８上に形成し、第２フライアイレンズ２８は、第１フライアイレンズ２７のレンズ駒の像を液晶パネル側に投影するよう配置されている。

偏光変換素子２９から出射された光は、凸レンズ３０により集光され、ミラー３１により反射され、第１ダイクロイックミラー３２により、青色光、緑色光は透過され、赤色光は反射される。第１ダイクロミラー３２で反射された赤色光は、反射ミラー３３により反射され、凸レンズ３４により略平行光に変換され、不図示の偏光板を介して、画像変調素子６の画像表示面上に照明される。

第１ダイクロミラー３２を透過した、緑色光、青色光は、第２ダイクロイックミラー３５で、緑色光が反射され、青色光が透過される。第２ダイクロイックミラー３５で反射された緑色光は、凸レンズ３６により略平行光に変換され、不図示の偏光板を介して、画像変調素子７の画像表示面上に照明される。

第２ダイクロイックミラー３５を透過した赤色光は、凸レンズ３７、反射ミラー３８、凸レンズ３９、反射ミラー４０、正レンズ４１を介して、略平行光に変換され、不図示の偏光板を介して、画像変調素子５の画像表示面上に照明される。凸レンズ３７，３９，４１により、凸レンズ３７付近に結像される長方形の赤色光像を、画像変調素子上５に、ほぼ等倍結像している。

画像変調素子５，６，７でそれぞれ変調された青色光、緑色光、赤色光は、２つの異なる波長域の光を反射するダイクロイックミラー層ＤＭ１，ＤＭ２をプリズム内部に有する、プリズム２，３，４により構成される色合成プリズムにより、３色合成され、投射レンズ１を介して、不図示のスクリーンに投影される。詳しく説明すると、画像変調素子５で変調された青色光は、三角柱プリズム２に入射され、三角柱プリズム２の２Ａ面で全反射され、青色光を反射し、緑色光および赤色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ１により反射され、投射レンズ１に入射される。画像変調素子７で変調された緑色光は、三角柱プリズム４に入射され、赤色光を反射し、緑色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ２を透過し、青色光を反射し、赤色光および緑色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ１を透過し、投射レンズ１に入射される。画像変調素子６で変調された赤色光は、画像変調素子７側が面取りされた三角柱プリズム３に入射され、青色光を反射し、赤色光を反射し、緑色光を透過するダイクロイックミラー層ＤＭ２により反射され、投射レンズ１に入射される。

なお、実施例１〜６で説明した投射表示装置用の色合成系は、色合成プリズムと赤緑青用の３枚のＣＣＤを備えた三板式の撮像装置に応用してもよい。

さらに、実施例１〜６で説明した投射表示装置と、これに画像信号を供給する画像信号供給装置（例えば、パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ、デジタルカメラ等）と、を組合せれば、会議や説明会や上映会等で好適な画像投射システムを提供することができる。このとき、反射型液晶表示装置と画像信号入力装置の間の通信は、通信ケーブルを介したものでも、無線ＬＡＮシステムを利用したものでも構わない。

以下に、実施例１、実施例３および従来例の数値実施例を示しておく。Ｒｉは図中左側からｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉは図中左側からｉ番目のレンズ面間隔、Ｎｉは図中左側からｉ番目のレンズのｄ線における屈折率、Ｖｉは図中左側からｉ番目のレンズのアッベ数を示す。

実施例１の構成図 実施例２の構成図 実施例３の構成図 実施例４の構成図 実施例５の構成図 実施例６における投射表示装置の概略図 実施例１における青色光の球面収差図 実施例１における緑色光の球面収差図 実施例１における赤色光の球面収差図 実施例１における青色光のスポットダイヤグラム 実施例１における緑色光のスポットダイヤグラム 実施例１における赤色光のスポットダイヤグラム 実施例３における青色光の球面収差図 実施例３における緑色光の球面収差図 実施例３における赤色光の球面収差図 クロスダイクロプリズムを用いた従来例の構成図 ３つの三角柱プリズムを用いた従来例の構成図 図１７の従来例における赤色光、緑色光および青色光の球面収差図 図１７の従来例における青色光の球面収差図 図１７の従来例における緑色光の球面収差図 図１７の従来例における赤色光の球面収差図 図１７の従来例における青色光のスポットダイヤグラム 図１７の従来例における緑色光のスポットダイヤグラム 図１７の従来例における赤色光のスポットダイヤグラム

符号の説明

１ 投射レンズ（投射手段）
２，３，４ 三角柱プリズム
５，６，７ 画像変調素子
ＤＭ１，ＤＭ２ ダイクロイック膜
２Ａ プリズム面

Claims (3)

1. 青色光用画像変調素子と、緑色光用画像変調素子と、赤色光用画像変調素子と、
   前記３つの画像変調素子で変調された青色光、緑色光、赤色光を投射する投射手段と、
   ダイクロイック膜を含み、前記３つの画像変調素子で変調された青色光、緑色光、赤色光を合成して前記投射手段に導く色合成素子と、を備える投射表示装置であって、
   前記色合成素子内での前記緑色光の光路長の空気換算値が、前記色合成素子内での前記青色光の光路長の空気換算値よりも大きく、かつ、前記色合成素子内での前記赤色光の光路長の空気換算値よりも小さくなるように、前記色合成素子が構成されていることを特徴とする投射表示装置。
2. 前記緑色光に対する前記青色光の光路長の空気換算値の差の絶対値をΔＢＧ、前記緑色光に対する前記赤色光の光路長の空気換算値の差の絶対値をΔＲＧ、前記緑色光の光路長の空気換算値をＬとするとき、
   ０．０２＜ΔＢＧ／Ｌ＜０．２
   および
   ０．０２＜ΔＲＧ／Ｌ＜０．１５
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投射表示装置。
3. 請求項１又は２に記載の投射表示装置と、
   前記投射表示装置に画像信号を供給する画像信号供給装置と、を具備する画像投射システム。

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