JP4608292B2 - 光路シフト光学系、画素ずらし投射光学系、および画素ずらし投射装置 - Google Patents
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Description
同図において符号0は光路シフト素子、1は液晶層、2は液晶、3はカバーガラス、4は入射主光線、5は出射主光線、Y、Zは座標軸をそれぞれ示す。
DLP(digital Light Processor)や液晶ライトバルブ、LCoS(Liquid Crystal on Silicon)などの空間光変調素子に表示した画像を拡大投影するプロジェクタが知られている。空間変調素子の画素数は年々増加傾向にあり、高画質化が進んでいる。空間変調素子の実画素数を増加する手段のほかに、画素を表示する位置を高速に移動させることで、見かけ上、空間変調素子の画素数の2倍、4倍の画素からなる画像を表示する画素ずらし表示方式も提案されている。
画素ずらし表示手段として、たとえば同図に示すように、垂直配向型強誘電性液晶の複屈折性および電圧印加手段による液晶配向制御動作原理を利用した光路シフト素子0が発表されている(例えば、非特許文献1 参照。)。この光路シフト素子の動作原理は、液晶層1の両側に誘電体薄膜層(図示省略)を設け、その外側にITO薄膜電極層(図示省略)を設け、その外側をカバーガラス3、3’で挟持した構成であり、電圧の印加のON/OFFによって、液晶2の主軸と光軸の成す角(チルト角)θを同図におけるYZ面内で±Y方向にスイッチングさせ、液晶層に入射した主光線4の異常光成分を、液晶の方向に応じて±Y方向に平行シフトさせるというものである。この光路シフト原理を用いれば、後述の実施例のように、±Y、±Xの4方向に画素ずらしすることもできる。ただし、紙面に直交する方向をX方向とする。
同図において、液晶層への印加電圧をOFFにすると、液晶2の主軸の傾きが反転し、出射光線5の位置は下方へシフトする仕組みである。
光路シフト素子に液晶を使用する場合における、光路シフト素子の構成パラメータと光路シフト量の関係式は非特許文献1に下式(1)、(2)で示されている。
=2t・(a2−b2)(sinψ・cosψ)/(b2cos2ψ+a2sin2ψ)
・・(1)
a=1/ne、b=1/no ・・(2)
上式(1)、(2)において、dは光路シフト量、tは液晶層の厚さ、ψはFLCモジュールにおける液晶の主軸と基板面の法線の成す角、neは異常光線の屈折率、noは常光線の屈折率である。FLCとは強誘電性液晶のことである。ただし、上式(1)、(2)は主光線4の光路シフトを表したものであり、主光線以外の光線の光路シフト量は、これらの式には従わない。
同図において符号6は上向き入射光線、7は下向き入射光線、8は上向き入射光線に対応する出射光線、9は下向き入射光線に対応する出射光線をそれぞれ示す。
同図において、主光線4に対し、上向き入射光線6、下向き入射光線7を考えた場合、これらは、液晶層を通過する際に光が作用する屈折率が異なるので、屈折作用も非同一となり、出射光線8と出射光線9がこの素子を出たところで波面収差が発生することになる。この現象は入射NAの増大に比例して増加し、光路シフト素子の下流(同図の右側)に配置される図示しない投射光学系による集光特性を劣化させる要因となる。
以上は、画素ずらし投射表示技術について説明しているが、上記の画素ずらし技術は液晶層による光路シフトを動作原理としているので、画素をずらす目的以外にも適用でき、広義には光路をシフトさせる技術である。
第一の課題: 前記の光路シフト手段を用いる場合、ライトバルブ側から前記画素ずらし手段へ入射する光束のNAが大きくなるにつれて、画素ずらし手段を透過した光波の波面収差量が増大し、結像光学系を介して表示されるスポットの集光特性が劣化する傾向がある。
第二の課題: 前記の画素ずらし手段を用いる場合、ライトバルブ側から前記画素ずらし手段へ入射する光束のNAが大きくなるにつれて、画素ずらし手段を透過した光波の波面収差量が増大し、投射光学系を介して表示される投射画面の解像特性が劣化する傾向がある。
第三の課題: 前記画素ずらし手段を用いる場合、“画素ずらし手段への入射波の偏波面”と、“液晶の主軸と光軸を含む面”とを一致させる必要がある。一致していないと投射画像の解像特性が劣化してしまう。
第四の課題: NA変換光学系から画素ずらし手段の透光性基板を介して液晶層に入射する光束のNAは透光性基板と液晶層の屈折率差によっては大きくなってしまう場合がある。
図1は本発明の実施形態を説明するための図である。
同図において符号10は照明光源、11はIRフィルタ、12はUVフィルタ、13はフライアイレンズ、14は偏光子、15、16はダイクロイックフィルタ、15’は折り返しミラー、17は偏光ビームスプリッタ(PBS)、18は反射型ライトバルブ、19は色合成プリズム、20はNA変換光学系、21は画素ずらし素子、22は投射レンズ、23は像面をそれぞれ示す。図示してないが、座標軸は図5と同様とする。
本実施形態は反射型ライトバルブを用いた構成である。
照明光源10より発した照明光を、IRフィルタ11、UVフィルタ12を介し、フライアイレンズアレイ13により照度分布を均一化し、偏光子14を透過させて、偏波面がYZ面の直線偏光に変換した。ダイクロイックフィルタ15によって青(B)を反射させ、赤(R)と緑(G)を透過させて色分離させた。RとGの混合波をダイクロイックフィルタ16により、Rを透過、Gを反射させ、色分離した。R、G、Bに色分離した各々の光波は必要に応じてトリミングフィルタ(図示せず)に透過させることで透過波長帯域を補正する。必要に応じコンデンサレンズ(図示せず)を介し各色の照明光路長を調整したのち、前記のY偏波光を、偏光ビームスプリッタ17のスプリット面で反射させ、反射光束で反射型ライトバルブ18を照明した。次に、ライトバルブ18により画像情報で変調された反射光を、前記偏光ビームスプリッタ17のスプリット面を透過させ、ポスト偏光子および倍率色収差補正素子(図示せず)を介して色合成プリズム19に導いた。次に、色合成プリズム19の射出面側に設けた請求項1記載のNA変換光学系20によって、射出NAを変換し、画素ずらし素子21を透過させ、投射レンズ22を介して、像面23上に画素ずらし投射した。この系における照明系は±7°照明とした。使用したライトバルブは画素サイズは14μm□のXGA仕様パネルとした。
ここで、NA変換光学系20に対し光束が入射する側を物体側、すなわち物空間、出射する側を像側、すなわち像空間と呼ぶ。
同図の光学系における偏光ビームスプリッタ17としてワイヤーグリッド偏光子を用いることができる。ワイヤーグリッド偏光子は、所定の偏波方向成分のみを選択的に透過/反射させる機能が高いので、復路光学系における偏波方向の回転した光波をカットすることができる。これにより、解像特性の向上に加えて、投射画像のコントラスト性能を向上することができる。
同図において符号18はライトバルブ、24は位相差板、25は倍率色収差補正レンズ、26はPBSとダイクロイックミラー、27はポスト偏光子、201、202、203はNA変換光学系20の細部構成要素、211、212は第1の画素ずらし素子の構成要素、213、214は第二の画素ずらし素子の構成要素をそれぞれ示す。25の倍率色収差補正レンズは必要に応じて設けて色収差補正を行う。
第1の画素ずらし素子は同図の上下方向への光路シフトを行う光路シフト手段である。211、212の各々は図5の3、3’に相当する。第二の画素ずらし素子は、第一の画素ずらし素子と同一の構成のものを、光軸を中心に90度回転した配置になっており、同図の紙面垂直方向への光路シフトを行う光路シフト手段である。213、214のおのおのは、図5の3、3’に相当する。
図2に示される光線は、ライトバルブを物体面として、物体高比が0、0.25、0.5、0.75,1.0の5種類の光波の主光線とマージナル光線(上向き光線および下向き光線)を示している。同図において主光線は右方向に水平に伝搬する光線であり、上向き光線は右斜め方向へ伝播する光線であり、下向き光線は右斜め下方向に伝播する光線である。
同図において、201、202、203から成るNA変換光学系への入射光波のNAは0.22であり、出射光波のNAは0.1に変換されている。また、NA変換光学系を透過する光波のテレセントリシティは保存されている。
なお、ライトバルブは反射型でなくてもよく、透過型のライトバルブやDMD(digital mirror device)の使用も可能である。
先の実施形態において、ライトバルブから画素ずらし素子に至る光束の偏波面は制御されている。たとえば、光軸をZ軸とするカーテシアン座標系内に上記の光学系を配置する場合、画素ずらし素子による光路シフト方向がY方向である場合には、偏波方向はYZ面内にあるように制御される。ライトバルブと画素ずらし素子の間には、偏光ビームスプリッタなどが配置されるが、これらの素子を通過することによる、偏波面の方向のずれは極めて小さい。しかしながら、上記のNA変換光学系を通過した際にはY方向以外の偏波成分が発生する。そこで、第2の実施形態では、NA変換光学系と画素ずらし手段の間にクリーナ偏光子を設け、明状態において偏波面のずれていない偏光成分のみが通過した。これによって、光波の偏波方向が、画素ずらし手段が有する液晶の液晶軸と光軸を含む面と一致している光波のみを、画素ずらし素子に入射させることができるようになる。また、暗状態においては、偏波面のずれた偏光成分は前記直線偏光子を通過しない。これらによりコントラストは更に向上する。図1において、前記NA変換素子20と前記画素ずらし素子21の間にクリーナ偏光子として図示しない直線偏光子28を挿入して、偏波面がYZ方向の成分のみを透過するように設定した。
ところで、ライトバルブ上に配列されている画素を投射光学系によって、投射表示すると、隣接する画素の間の隙間は皆無に等しい。このような状態において、画素ずらし表示を行うと、たとえば、表示画面の横方向に表示されている画素のサイズの半分程度画素ずらしすることを考えると、画素ずらしする前と後の画素の一部は重なってしまう。このような状態において得られる画像はエッジがぼけたシャープネスに欠ける画像となる。
そこで、第3の実施形態では、第1〜第2の実施形態のいずれかにおいて、ライトバルブの画素の配列に対応するようにマイクロレンズアレイを近接配置した。照明光は、マイクロレンズアレイによって集光ぎみにライトバルブの画素に入射させる。このとき、画素を照射している領域は画素のサイズよりも小さい。次に、ライトバルブの画素を反射した照明光は、再び同一のマイクロレンズに入射して、集光する。この集光位置にできる中間像の大きさは、ライトバルブの画素よりも小さい。ライトバルブの画素の配列に対応するようにマイクロレンズアレイを近接配置することによって、ライトバルブの全ての画素について、同様に、中間像を生成させることができる。このとき、中間像面における像は、間隔の空いた画素縮小像の配列パターンになっている。この中間像を、投射光学系によって像面上に投影表示させると、投射光学系の倍率によって、投射表示される画素像のサイズは変わるが、隣接する画素の像は互いに密接しておらず、所定の間隔を有している。この状態において、画素ずらし動作を行うと、画素ずらしの前後で生成される画素の像の重なりは少なくなるので、画素ずらし表示した画像の鮮鋭度を向上させることができる。この状態において、前記したNA変換光学系を単独、もしくは直線偏光子とともに用いることにより、解像度の劣化を同時に回復することができる。
図1において曲率半径20μmのマイクロレンズアレイ29をライトバルブ18の画素と対に設置し、ライトバルブ18の画素の縮小像を生成できる光学系とした。マイクロレンズアレイから射出される復路のNAは0.18とした。画素縮小効果によって、投射画面上の画素の像を画素ずらししても、互いに重なる領域が減り、画像の鮮鋭度は向上させた。この状態において、前記NA変換光学系20を用いない場合、像面におけるMTFは前記画素ずらし素子21を挿入すると低下するが、前記NA変換光学系20を用いて、画素ずらし素子21への入射光のテレセントリシティを維持しながら、NAを小さくしていくとMTFは回復する。回復効果は、前記画素ずらし素子21に対する上向き光線、下向き光線の入射角が垂直に近いほど高くなる。
図1の画素ずらし素子21は、同図においてY方向に光路をシフトするものとして説明してきたが、同様の構成の画素ずらし素子をZ軸を回転中心としてXY面上で90度回転させたものを、第2の画素ずらし素子21’とし、これを前記画素ずらし素子21の下流に積層させた構成とする。このとき、第2の画素ずらし素子は光路をX方向にシフトさせる機能をもっているので、2つの画素ずらし素子を併用して光路をシフトさせるタイミングを調整すればXY2方向に光路をシフトできる。ここで、第2の画素ずらし素子に対して入射する光の偏波方向はXZ面方向に揃っていることが好ましい。そこで、2つの画素ずらし素子の間に半波長板を挿入し、第1の画素ずらし素子を射出したS偏波光を90度回転させてP偏波光に変換し、第2の画素ずらし素子に導くようにするとよい。
画素ずらし素子を小型化するためには、画素ずらし素子に入射する光束の有効径が小さいほどよいが、図1の例では、入射光束は下流に向かって広がっていく傾向にある。しかし、上述のNA変換光学系にビームコンプレッサ機能を付加すれば、画素ずらし素子への入射光束を小さくすることができる。これにより、画素ずらし素子をコストダウンし、画素ずらし素子の駆動に要する印加電圧を下げる効果が得られる。
上記のNA変換光学系を挿入することにより、投射レンズのレンズバックが長くなると、設計が困難になるという課題が発生するが、非球面を用いてレンズ枚数を少なくする、あるいは、フレネル面を採用するなどの方法によって、NA変換光学系の全長を短くすれば、この課題を回避することができる。
<第8の実施形態>
図3、図4は液晶を挟持する透光性基板の屈折率の関係を説明するための図である。
図3は、液晶を挟持する透光性基板211の屈折率が液晶層の屈折率よりも低い状態におけるマージナル光線の軌跡を模式的に示しており、図4は透光性基板211の屈折率が液晶層の屈折率よりも高い状態におけるマージナル光線の軌跡を模式的に示している。図3および図4の液晶層1の右側には図示されない透光性基板がある。
透光性基板の屈折率にかかわらず液晶中の光束のNAは空気層と液晶層の屈折率差で決まるので液晶層中の光束のNAは図3の場合と図4の場合で等しくなる。しかし、図3に示す構成は光束の透光性基板入射時および液晶層入射時の屈折作用が図4の場合のそれよりも緩やかなので波面収差は小さくなる。図3に示すように屈折率差を与えることで液晶層におけるNAは同じでも図4に示す構成よりも波面収差を小さくすることができる。
NA変換光学系を用いることにより、従来と比較して画素ずらし素子による解像特性の劣化を回復できる。特に、第4の実施形態のようにマイクロレンズアレイを使用して画素縮小を行う場合には、復路におけるマイクロレンズからの射出NAは照明NAよりも大きくなり、解像特性の劣化、投射光学系の高NA化、大口径長大化などの問題が生じるが、NA変換光学系を用いることにより、これらの問題を解消することができる。
NA変換光学系を透過することによって、その下流の画素ずらし素子に入射する光波の一部は偏波方向が回転するが、クリーナ偏光子によって、回転した成分を除去することができる。これによって、画素ずらし素子に入射する光波の偏波面が、画素ずらし手段が有する液晶の液晶軸と光軸を含む面と一致した光波のみを画素ずらし素子に入射させることができるようになる。これにより、画素ずらし手段への入射光の偏波面が画素ずらし手段の液晶の主軸と光軸を含む面と一致していない偏波成分による投射画像の解像特性劣化因子を排除することができる。
画素ずらし手段を用いた従来の投射装置と比較して、画素ずらし手段に入射する光波のNAが大きくなった場合に生じる解像特性の劣化を抑止する手段が備わり、さらに、画素ずらし手段に入射する光波の偏波面と、画素ずらし手段が有する液晶の液晶軸と光軸を含む面を一致させることができるので、不一致に起因する解像度低下も回避可能な投射装置を提供することができる。さらに、画素ずらし手段の液晶を挟持する透光性基板も光波の低NA化に寄与するので、投射性能は更に向上させることができる。
1 液晶層
2 液晶
3 カバーガラス
4 入射主光線
5 出射主光線
10 照明光源
15、16 ダイクロイックフィルタ
17 偏光ビームスプリッタ
18 反射型ライトバルブ
20 NA変換光学系
21 画素ずらし素子
Claims (5)
- 液晶層中の液晶の配向をスイッチングして前記液晶層を透過する光波の光路をシフトさせる光路シフト手段と、前記光路シフト手段の前方に、物空間と像空間の両側がテレセントリックであり、物体側から入射する光束のNAよりも出射光束のNAの方が小さく変換されるNA変換光学系を設けたことを特徴とする光路シフト光学系。
- ライトバルブと、該ライトバルブを照明するライトバルブ照明手段と、前記ライトバルブ上の像を投射する投射光学系と、該投射光学系と前記ライトバルブの間に設けた画素ずらし手段と、を少なくとも有し、前記ライトバルブ上の画素の投射表示位置をずらして表示する画素ずらし投射表示光学系において、前記ライトバルブと前記画素ずらし手段の間にNA変換光学系を設け、該NA変換光学系は、前記ライトバルブ側を物体側、前記画素ずらし手段側を像側としたとき、前記物空間と前記像空間の両側がテレセントリックであり、物体側から入射する光束のNAよりも出射光束のNAの方が小さいことを特徴とする画素ずらし投射光学系。
- 請求項2に記載の画素ずらし投射光学系において、前記NA変換光学系と前記画素ずらし手段の間にクリーナ偏光子を設けたことを特徴とする画素ずらし投射光学系。
- 請求項2または3に記載の画素ずらし投射光学系において、前記画素ずらし手段は、液晶層が透光性基板で挟持された構成であり、該透光性基板の屈折率は前記液晶層の屈折率よりも小さいことを特徴とする画素ずらし投射光学系。
- 請求項2ないし4のいずれか1つに記載の画素ずらし投射光学系を具備することを特徴とする、画素ずらし投射装置。
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