JP4573573B2 - 投映型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を変調して画像光を生成する画像生成部を備え、光源からの照明光を所定の色成分ごとに分離して画像生成部に入射させ、画像生成部によって生成された各色成分の画像光をスクリーン上に結像させる投映型画像表示装置に関するものである。

投映型画像表示装置として、液晶プロジェクタやＤＬＰ（Digital Light Processing）プロジェクタなどが知られている。液晶プロジェクタでは、画像生成部として液晶表示素子が用いられる。液晶表示素子としては、入射した光の透過率を変化させて画像光を生成する透過型の液晶表示素子や、入射した光の反射率を変化させて、画像光を生成する反射型の液晶表示素子がある。ＤＬＰプロジェクタでは、画像生成部として、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、オン位置とオフ位置との間で移動する複数のマイクロミラーがマトリクス状に配列され、オン位置のマイクロミラーから反射されたオン光の集合によって画像光を構成する。

これらプロジェクタには、１つの液晶表示素子やＤＭＤを用いる単板式と、３つの液晶表示素子やＤＭＤを用いる３板式のものとがある。単板式のプロジェクタでは、液晶表示素子やＤＭＤの１画素単位に赤色、緑色、青色のカラーフィルタを配置し、各画素に基本色を割り当てることによってフルカラー画像を得る場合や、高速回転するカラーホイールにより、光源からの照明光を赤色、緑色、青色に時分割して液晶表示素子やＤＭＤを照明し、生成された１画面分の基本色画像を高速で切り替えることによってフルカラー画像を得る場合とがある。３板式のプロジェクタでは、ダイクロイックミラーにより、光源からの照明光を赤色、緑色、青色の３つに分割して、対応する液晶表示素子やＤＭＤを照明し、生成された基本色ごとの画像を合成プリズムなどにより合成してフルカラーの画像を得ている。

さらに、プロジェクタには、スクリーンの前面側から画像を投影するフロント方式とスクリーンの背面側から画像を投影するリア方式とがあるが、いずれにせよ、光源からの照明光によって画像生成部を照明し、生成された画像光を投影レンズでスクリーン上に結像させる構成になっている。そして、上述したようなタイプの違いに関わらず、プロジェクタに用いられる光源としては、基本色光をバランスよく含んだものであることが好ましい。

しかし、図１に示すように、太陽光と比較すると、プロジェクタの照明光源として一般的に用いられている超高圧水銀ランプの分光特性（基本色成分の強度）は、青色光や緑色光に対して赤色光の成分が不足してしまう。また、３板式のプロジェクタにおいては、照明光を各色成分に分離してから、再び合成プリズムによって合成するまでの過程において各色成分には損失が発生するが、この損失分も色成分ごとに異なる。

以上のような理由から、プロジェクタでは、光源や光源からの照明光を投影するまでの光学系に起因して、表示画像に含まれる色成分のバランスが悪くなってしまい、表示画像の品位が低下してしまうといった問題がある。このため、不足した色成分を補うための対策が求められている。

一方、様々な分野でレーザー光が利用されている。レーザー光は、レーザー媒体にエネルギーを与えることによって発せられ、このレーザー媒体特有の波長成分（色成分）を持つ光を得ることができる。また、レーザー媒体に、例えば、半導体を用いたレーザーダイオードは非常に小型である。以上のような利点から、レーザー光を照明光として用いる試みがなされている。

しかし、レーザー光を利用して照明を行うと、レーザー光のコヒーレンシーに起因して、その照明範囲内にスペックルノイズが発生してしまうことが知られている。この結果、液晶プロジェクタなどの画像表示装置の照明光源にレーザー光を利用すると、表示画面がちらついたり、表示画面に黒い斑点が発生してしまい、表示画像の品位が低下してしまう。

このため、下記特許文献１には、レーザー光のコヒーレンシーに起因した影響を擬似的に取り除くようにするため、発せられたレーザー光を被照射物に照射するための光学経路内のミラーを振動させる照明光学装置が記載されている。また、画像そのものを微少振動させる投写型ディスプレイもある（特許文献２参照）。

特開２００１−１４８３４５号公報 特表２００２−５４３４５５号公報

しかしながら、従来の方法では、振動させる部材が大きいために振動装置が大型化してしまう。また、画像そのものを振動させてしまうと、表示される画像の品位が低下してしまう。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、装置が大型化することなく、不足している色成分を補い、表示画像の品位を向上することのできる投映型画像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の投映型画像表示装置は、入射した光を変調して画像光を生成する画像生成部を備え、光源からの照明光を所定の色成分ごとに分離して画像生成部に入射させ、画像生成部によって生成された各色成分の画像光をスクリーン上に結像させる投映型画像表示装置において、前記色成分のうち、所望の強度に対して不足している色成分を含む波長域のレーザー光を発生させるレーザー光源と、透過する光を屈折させて集光する集光レンズ、光軸と垂直な断面が４角形に形成され、透過する光を均斉化して光軸と垂直な面に一定範囲面積をもった光束にするオプティカルインテグレータ、透過する光を屈折させて照射範囲を調節するリレーレンズを備えており、前記レーザー光源から発せられたレーザー光を所望の範囲に照射させる導光手段と、前記導光手段を構成する部材のうち少なくとも１つを振動させる振動発生手段とを備える補助照明手段を設けたことを特徴としている。

本発明の投映型画像表示装置は、レーザー光を発光する補助照明手段を設け、不足している色成分を補うようにしたので、照明光のバランスが良くなり、表示される画像の品位を向上させることができる。また、補助照明手段に小型であるレーザー光源を用いたことにより、機器が大型化してしまうといったことがない。

さらに、レーザー光を振動させるようにしたので、レーザー光のコヒーレンシーに起因して発生するスペックルノイズを時間的に移動させることができ、スペックルノイズの影響を擬似的になくして、表示される画像の品位を向上させることができる。また、表示される画像を振動させないので、表示画像の品位が低下してしまうといったこともない。さらに、補助照明手段全体を振動させずに、補助照明手段を構成する部材の一部を振動させれば、振動を発生させるための機構を小型にすることができる。

図２にリア方式の液晶プロジェクタ１の外観を示す。筺体２の前面に拡散透過型のスクリーン３が設けられ、その背面に投影された画像が前面側から観察される。筐体２の内部には投影ユニット５が組み込まれ、その投影画像はミラー６，７で反射されスクリーン３の背面に結像される。この液晶プロジェクタ１は、筐体２の内部にチューナー回路などのほか、ビデオ信号及び音声信号再生用の周知の回路ユニットを組み込み、投影ユニット５に画像表示手段として組み込まれた液晶表示素子にビデオ信号の再生画像を表示することによって、大画面のテレビジョンとして使用することができる。

図３に投影ユニット５の構成を概略的に示す。この投影ユニット５には透過型の三枚の液晶表示素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが組み込まれ、フルカラーで画像投影を行うことができる。投影ユニット５の内部には、図１にて示したような分光特性を持つ超高圧水銀ランプ１２ａが配置された主光源１２が設けられている。

主光源１２からの放射光は、赤色光，緑色光，青色光を含む白色光であり、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ１３を透過して、光源から液晶表示素子に至る照明光軸にしたがってガラスロッド１４に入射する。ガラスロッド１４の光入射面は、主光源１２に用いられている楕円鏡の第２焦点位置近傍に位置し、主光源１２からの光は効率的にガラスロッド１４に入射する。

リレーレンズ系１５、１６は、ガラスロッド１４の出射面と、液晶表示素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの被照射面が光学的に供役になるように構成され、均一化成形化された照明光を前記被照射面に所望のサイズで照射する。リレーレンズ系１５，１６からの出射光は、ミラー１７で光路を折り曲げられ、赤色光を透過して緑色光、青色光を反射するダイクロイックミラー１８Ｒで２光束に分けられる。透過した赤色光は、ミラー１９で反射して液晶表示素子１１Ｒを背面から照明する。

また、ダイクロイックミラー１８Ｒで反射された緑色光と青色光は、緑色光だけを反射するダイクロイックミラー１８Ｇでさらに２光束に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇで反射された緑色光は液晶表示素子１１Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ，２０で反射され、液晶表示素子１１Ｂを背面から照明する。

各々の液晶表示素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１ＢはそれぞれＴＦＴ液晶で構成され、その各々には、フルカラー画像を構成する赤色画像，緑色画像，青色画像の画像が表示される。これらの液晶表示素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから光学的に等距離となる位置に中心がくるように合成プリズム２４が配置され、合成プリズム２４の出射面に対面して投影レンズ２５が設けられている。合成プリズム２４は、その内部に２面のダイクロイック面２４ａ，２４ｂを有し、液晶表示素子１１Ｒを透過してきた赤色光、液晶表示素子１１Ｇを透過してきた緑色光、液晶表示素子１１Ｂを透過してきた青色光を合成して投影レンズ２５に入射させる。

投影レンズ２５は、その物体側焦点面が液晶表示素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面に一致し、像面側焦点面がスクリーン３に一致するようにしてあるから、合成プリズム２４で合成されたフルカラー画像はスクリーン３に結像されることになる。なお、図２に示すミラー６，７については、図面の煩雑化を避けるために省略した。

また、液晶プロジェクタ１には、主光源１２では不足してしまう赤色光を補うための補助的な光源として、レーザー光を発生させる補助照明装置５０が設けられている。液晶プロジェクタ１では、主光源１２からの照明光に加えて、補助照明装置５０からの照明光も液晶表示素子１１Ｒに照射できるように、ミラー１９はレーザー光の発振波長に相当する特定の波長光のみを透過させる波長選択性のミラーが用いられている。補助照明装置５０からの照明光は、ミラー５１によって反射された後、ミラー１９を透過して液晶表示素子１１Ｒを背面側から照明する。

図４に示すように、補助照明装置５０は、レーザー光源５３と、レーザー光源５３から発せられるレーザー光を所望の範囲にまんべんなく照射するための導光手段である集光レンズ５５、オプティカルインテグレータ５７、リレーレンズ５９とからなる。集光レンズ５５は、透過する照明光を屈折させてオプティカルインテグレータ５７の入射面に集光させる。オプティカルインテグレータ５７は、内面に反射面が形成された角筒形状をしており、通過する照明光の出射面内の強度分布をそろえるとともに光束形状を被照射面形状と相似の長方形に成形する。リレーレンズ５９は、入射した照明光を屈折させることによって照明光の照射範囲を調整する。

レーザー光源５３は、レーザーダイオード６０、発光回路６７、ホルダ６１、振動発生部６３とからなる。レーザーダイオード６０は、半導体をレーザー媒体とした半導体レーザーであり、ホルダ６１の内側に支持されている。図５に示すように、レーザーダイオード６０は、主光源１２に配置された超高圧水銀ランプ１２ａの分光強度の弱い、例えば、波長６００〜７００ｎｍの間にピークをもつ赤色光を発光する。レーザーダイオード６０は、発光回路６７と接続され、電源を供給されて発光する。

振動発生部６３は、振動体６５と振動発生回路７１とからなる。振動体６５は、強誘電体の材料にて形成され、電圧を印可したときにこの材料に発生するひずみ（材料に発生する微少量の伸び縮み）により振動する。材料としては、例えば、チタン酸鉛（PbTiO3）とジルコン酸鉛（PbZrO3）を混合したセラミックスであるＰＺＴが用いられる。振動体６５は、ホルダ６１に接するように設けられており、振動発生回路７１と接続され、電圧を印可されることにより発生した振動をホルダ６１に伝達する。これによって、レーザーダイオード６０から発生するレーザー光が振動する。

レーザー光を照明に用いることによってレーザー光のコヒーレンシーに起因してスクリーン３に表示される画像にはスペックルノイズが発生するが、レーザーダイオード６０を振動させることによってこのスペックルノイズが時間的に移動するのでスクリーン３上で確認しにくくなる。なお、振動発生部６３の振動周波数は人間の目の視認速度以上であればよい。人間の目の視認速度はおよそ３０Ｈｚ以下とされているので、振動発生部６３の振動周波数は、数百〜数千Ｈｚであれば、スクリーン３上でスペックルノイズが視認されることはない。

以下、本発明の作用について説明をする。液晶プロジェクタ１は、画像表示を行う際に、主光源１２、補助照明装置５０の２種類の光源により液晶表示素子１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを照明する。主光源１２からの照明光は、ダイクロイックミラー１８Ｒ、１８Ｇによって各液晶表示素子に対応した赤色光、緑色光、青色光の３光束に分けられて、それぞれ液晶表示素子１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを背面側から照明する。

一方、補助照明装置５０からの照明光は、液晶表示素子１１Ｒを背面側から照明する。補助照明装置５０は、レーザーダイオード６０が用いられており、例えば、図５に示すように、波長６３９ｎｍをピークとする赤色光を発光する。また、レーザーダイオード６０には、振動発生部６３によって振動が加えられるので、補助照明装置５０からの照明光は振動している。

補助照明装置５０から照射された照明光は、集光レンズ５５を透過する際に集光される。この光は角筒状のオプティカルインテグレータ５７に入射して、透過する際に均斉化及び成形化される。さらに、オプティカルインテグレータ５７を出射した光は、リレーレンズ５９によって光の照射範囲が調節され、液晶表示素子１１Ｒの背面を均一に照明する。主光源１２、及び、補助照明装置５０からの照明光は各液晶表示素子を透過した後、合成プリズム２４によって合成され、スクリーン３に投影される。

以上のように、液晶プロジェクタ１では、主光源１２の照明光が不足している赤色光を液晶表示素子１１Ｒに照射する補助照明装置５０を設けたので、各液晶表示素子を照明する照明光の光量のバランスが良くなり、表示される画像の品位を向上させることができる。また、補助照明装置に小型であるレーザー光源を用いたことにより、機器が大型化してしまうといったことがない。

さらに、補助照明装置から照射されるレーザー光を振動させるようにしたので、レーザー光のコヒーレンシーに起因して発生するスペックルノイズを時間的に移動させることができ、スペックルノイズの影響を擬似的になくして、表示される画像の品位を向上させることができる。また、表示される画像を振動させずに照明光を振動させるようにしたので、表示画像の品位が低下してしまうといったこともない。さらに、補助照明装置の一部を振動させるようにしたので振動を発生させるための機構を小型にすることができる。

上記実施形態では、補助照明装置のうちレーザーダイオードを振動させる例で説明をしたが、本発明はこれに限られない。図６に示す、補助照明装置８０のように、リレーレンズ５９を振動させるようにしてもよい。補助照明装置８０では、リレーレンズ５９をホルダ８１にて支持して、このホルダ８１を振動発生部６３によって振動させる。

また、図７に示す、補助照明装置９０のように、レーザー光源５３、集光レンズ５５、オプティカルインテグレータ５７、リレーレンズ５９の全体をホルダ９１によって支持するようにして、このホルダ９１を振動発生部６３によって振動させるようにしてもよい。なお、図６、及び、図７においては、上記実施形態と同一の部材については同一の符号を付した。

なお、上記実施形態では、振動発生の方法として、強誘電体の材料に対して電圧を印可して振動を起こす例で説明をしたが、本発明はこれに限られない。例えば、軸に偏芯カムを取り付けたモータを用いて振動を発生させるようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、主光源として超高圧水銀ランプを用いる例で説明をしたが、主光源としては超高圧水銀ランプの他にも、メタルハライドランプや、ハロゲンランプなどの各種光源を用いることができる。また、主光源からの照明光を投影するまでの光学系の構成も上記実施形態のものに限定されず変更してもよい。

さらに、上記実施形態では、主光源からの照明光は赤色光が不足していることを前提にして、この赤色光を発光する補助照明装置を設ける例で説明をしたが、本発明はこれに限られない。主光源として用いる光源の種類や、光源からの照明光を投影するまでの光学系の構成を変更したなどの場合には、赤色光以外の色成分が不足することが考えられる。こういった場合には、適宜不足する色成分を発光する補助照明装置を設けるようにすればよい。

また、上記実施形態では、ＴＦＴ型の液晶表示素子を用いる液晶プロジェクタを例に説明をしたが、このタイプ以外の液晶表示素子を用いて構成することも可能である。また、透過型の液晶表示素子を用いる例で説明をしたが、反射型の液晶表示素子を用いてもよい。さらに、スクリーン背後から画像を投影するリア型の液晶プロジェクタで説明をしたが、スクリーン前面から画像を投影するフロント型の液晶プロジェクタにおいても本発明は適用可能である。

なお、上記実施形態では、液晶プロジェクタに本発明を適用する例で説明をしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＤＭＤを用いたＤＬＰプロジェクタに本発明を適用してもよい。

さらに、上記実施形態では、３板式のプロジェクタに本発明を適用する例で説明をしたが、単板式のプロジェクタに本発明を適用してもよい。単板式のプロジェクタとしては、前述のように、カラーフィルタにより画素単位に赤、緑、青の基本色を割り当てるものと、カラーホイールにより照明光を基本色ごとに時分割するものとがあるが、いずれの場合にも本発明を適用することができる。なお、照明光を基本色ごとに時分割する場合には、
不足している基本色光に分割される瞬間にのみ、補助照明装置がレーザー光を発光するようにしてもよいし、補助照明装置が連続してレーザー光を発光していてもよい。補助照明装置が連続してレーザー光を発光していても、別の基本色光に分割される際には、補助照明装置からの光はカラーホイールによってカットされるので不具合は生じない。

太陽光と超高圧水銀ランプの分光特性の違いを表す説明図である。 リア方式の液晶プロジェクタの概略を示す外観図である。 透過型液晶表示素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。 補助照明装置の構成を示し、（Ａ）は外観図であり、（Ｂ）は平面図である。 レーザー光の分光特性を表す説明図である。 補助照明装置の別の構成を示し、（Ａ）は外観図であり、（Ｂ）は平面図である。 補助照明装置のさらに別の構成を示し、（Ａ）は外観図であり、（Ｂ）は平面図である。

符号の説明

１ 液晶プロジェクタ
３ スクリーン
５ 投影ユニット
１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ 液晶表示素子
１２ 主光源
５０、８０、９０ 補助照明装置
５３ レーザー光源
５５ 集光レンズ
５７ オプティカルインテグレータ
５９ リレーレンズ
６０ レーザーダイオード
６３ 振動発生部

Claims (1)

1. 入射した光を変調して画像光を生成する画像生成部を備え、光源からの照明光を所定の色成分ごとに分離して画像生成部に入射させ、画像生成部によって生成された各色成分の画像光をスクリーン上に結像させる投映型画像表示装置において、
   前記色成分のうち、所望の強度に対して不足している色成分を含む波長域のレーザー光を発生させるレーザー光源と、
   透過する光を屈折させて集光する集光レンズ、光軸と垂直な断面が前記レーザー光の被照射面と相似な４角形に形成され、透過する光を均斉化して光軸と垂直な面に一定範囲面積をもった光束にするオプティカルインテグレータ、透過する光を屈折させて照射範囲を調節するリレーレンズを備えており、前記レーザー光源から発せられたレーザー光を所望の範囲に照射させる導光手段と、
   前記導光手段を構成する部材のうち少なくとも１つを振動させる振動発生手段とを備える補助照明手段を設けたことを特徴とする投映型画像表示装置。

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