JP5274107B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から射出された光束を液晶パネルによって変調し、変調された光束（画像光束）を投射光学系を介して被投射面上に拡大投射するプロジェクターに関する。

近年、プロジェクターは、高精細化、高画質化が要望されており、反射型液晶パネルを用いたプロジェクターが注目されている。この反射型液晶パネルを用いたプロジェクターにおいては、暗い画像を投射する際に干渉縞が発生するという課題があった。

特許文献１では、反射型液晶パネルを用いたプロジェクターにおいて発生する干渉縞を低減することが可能なプロジェクターが提案されている。

この特許文献１においては、投射光学系、或いは投射光学系の直前に配置した色収差プレートを用いて、赤色光と緑色光との間に比較的大きな軸上色収差を発生させている。ここで発生させた軸上色収差の差に応じて赤色光用の液晶パネルとスクリーンとの距離と緑色光用の液晶パネルとスクリーンとの距離に差を設けることによって、スクリーン上での干渉縞を低減している。
特開２００６−０４７９６７号公報

しかしながら、干渉縞を低減するために軸上色収差を大きく発生させると、一つの色光の波長領域内における軸上色収差量の差が大きくなってしまい、画質が劣化するおそれがある。特に、特許文献１のように、緑色光の軸上色収差と赤色光の軸上色収差との差を大きくすると、緑色光の波長領域内及び赤色光の波長領域内の少なくとも一方における軸上色収差の差が大きくなり、結果として比視感度の高い緑色光又は赤色光の画質が劣化してしまう。

そこで、干渉縞を低減しつつ、且つ比視感度の比較的高い色光の波長領域内での軸上色収差の差を低減し高い画質の画像を表示することが可能な画像投射装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために本発明の画像投射装置は、第１、２、３色光に対応する第１、２、３反射型液晶パネルと、光源からの白色光のうち、前記第１色光が進む第１光路と前記第２、３色光が進む第２光路の２つの光路に分離する色分離素子と、前記第１光路と前記第２光路とを合成する光路合成素子と、前記第１光路に配置され、前記第１色光を前記第１反射型液晶パネルに導き、前記第１反射型液晶パネルからの第１画像光を前記光路合成素子に導く第１の偏光分離素子と、前記第２光路に配置され、前記第２色光を前記第２反射型液晶パネルに導き、前記第３色光を前記第３反射型液晶パネルに導き、前記第２、３反射型液晶パネルからの第２、３画像光を合成して前記光路合成素子に導く第２の偏光分離素子と、前記光路合成素子からの前記第１、２、３画像光を投射する投射光学系とを有する画像投射装置において、前記第１色光が緑色光であり、前記第２色光が赤色光であり、前記第３色光が青色光であり、前記第１の偏光分離素子と前記第２の偏光分離素子とが互いに分散が異なり、前記第１の偏光分離素子のアッベ数をνｄ１、前記第２の偏光分離素子のアッベ数をνｄ２としたとき
νｄ２ ＜ νｄ１
であることを特徴としている。

本発明によれば、干渉縞を低減しつつ、且つ比視感度の比較的高い色光の波長領域内での軸上色収差の差を低減し高い画質の画像を投射することが可能な画像投射装置を提供する。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
図１は本発明の第一の実施形態である投射型表示装置を示す概略図である。

本実施例１の画像投射装置（プロジェクタ）が有する照明光学系２は、光源（白色光を発する光源）１から射出した光を用いて、３つの反射型液晶パネル５、８、９を（略）テレセントリックに照明するように構成されている。このとき、光源１が非偏光を発する光源であるため、照明光学系２内に偏光変換素子が配置されており、非偏光光束をｐ偏光に揃えている。勿論、光源１が直線偏光光束を発する偏光光源であれば、偏光状態がｐ偏光になるようその方向を設定する。尚、ここで、ｐ偏光とは、紙面内で振動する直線偏光で、図中｜｜｜｜印で示す偏光であり、ｓ偏光とは、紙面垂直方向に振動する直線偏光で、図中●●●●印で示す偏光である。

このようにしてｐ偏光に変換されダイクロイックミラー（色分離素子）３に入射した光束のうち、第１色光（図中実線）は反射されて第１光路に沿って進み、第２色光（図中破線）、第３色光（図中一点鎖線）は透過されて第２光路に沿って進む。

本実施例１においては、第１色光は緑光であるようダイクロイックミラー３の特性が設定されている。ダイクロイックミラー３で反射された第１色光は、第１の偏光ビームスプリッタ（第１の偏光分離素子）４に入射した後、第１色光用の反射型液晶パネル（緑色光用の反射型液晶パネル、第１反射型液晶パネル）５によって変調されると共に反射され、再び偏光ビームスプリッタ４に入射する。第１の偏光ビームスプリッタ４はｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する特性を有しているため、反射型液晶パネル５によってｓ偏光に変調された成分（第１画像光）は、第１の偏光ビームスプリッタ４によって反射されて光路合成素子１１に向かう。この光路合成素子１１は、第１色光（緑色光）を投射レンズ（投射光学系）１２に導く特性、すなわち本実施例においては反射する特性、を有しており、第１色光の画像光が投射レンズ１２によって被投射面（スクリーン）に投射される。

一方、ダイクロイックミラー３を透過した第２色光、第３色光は、第１の波長選択性波長板６に入射する。本実施例では第２色光を赤色光、第３色光を青色光とする（勿論、赤色光と青色光は逆でも良い）。

第１の波長選択性波長板６は、第２色光の波長成分のみ偏光方向を９０°回転する特性を有しており、第１の波長選択性波長板６を透過することによって、第３色光はｐ偏光のままで、第２色光はｐ偏光からｓ偏光に変換される。この第１の波長選択性波長板６を通過した第２色光、第３色光は、第２の偏光ビームスプリッタ（第２の偏光分離素子）７に入射する。第２の偏光ビームスプリッタは第１の偏光ビームスプリッタ４と同様、ｐ偏光を透過、ｓ偏光を反射する特性を有している。このため、ｓ偏光の第２色光を反射して第２の反射型液晶パネル（第２反射型液晶パネル、赤色光用の液晶パネル）８に、ｐ偏光の第３色光を透過して第３の反射型液晶パネル（第３反射型液晶パネル、青色光用の液晶パネル）９に導く。

そして、第２、３反射型液晶パネルで変調された第２、３色光は再び第２の偏光ビームスプリッタ７に入射して、変調された光のうち第２色光のｐ偏光成分（第２画像光）が透過され、第３色光のｓ偏光成分（第３画像光）が反射されて、第２の波長選択性波長板１０に導かれる。第２の波長選択性波長板１０は、第３色光の波長成分のみ偏光方向を９０°回転する（第２色光については偏光方向を変化させない）特性を有しており、第２の波長選択性波長板１０を透過することにより、第２色光はｐ偏光のままで第３色光はｓ偏光がｐ偏光に変換される。

光路合成素子１１は偏光ビームスプリッタで、ｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射する。これによって第１光路と第２光路は再び一つの光路に合成され、投射レンズ１２に導かれ、スクリーン（不図示の被投射面）に画像が投射される。

ここで、本実施例の特徴の一つは、この第２色光または第３色光のいずれかが青色光である点である。第２光路（２つの色光が進む光路）においては、第２、３色光の少なくとも一方の波長領域内で軸上色収差の差が大きくなりやすい。このため、その軸上色収差の差が発生しやすい色光を３原色の中で最も比視感度の低い青色光とすることによって、見た目の画質の劣化を抑制（低減）している。

更に、本実施例においては、第１、２の偏光ビームスプリッタの材料にも特徴を持たせている。具体的には、第２の偏光ビームスプリッタ７のガラス材料のアッベ数νｄ２は第１の偏光ビームスプリッタ４のガラス材料のアッベ数νｄ１と異なっており（互いに分散が異なっており）、以下の不等式を満足する。
νｄ１−νｄ２＞０ ・・・（１）
この条件式を満足すれば、第１色光（緑色光）の波長領域内での軸上色収差の差を小さくしつつ、且つ第２色光（赤色光）と第３色光（青色光）との軸上色収差の差を大きくすることができるため、第２色光の光路長と第３色光の光路長との差を大きくしやすいため好ましい。ここでは、第２色光の代表波長（中心波長、重心波長）における軸上色収差と第３色光の代表波長における軸上色収差との差を大きくすることにより、干渉縞の発生をより低減しやすい（干渉縞を低減する効果がより大きくなる）と言う効果が得られる。尚、ここで言う青色光とは４００（４４０でも良い）ｎｍ以上５００（４８０でも可）ｎｍ以下、緑色光とは５００（５１０でも良い）ｎｍ以上６００（５５０でも可）ｎｍ以下、赤色光とは６００（６１０でも良い）ｎｍ以上７００（６５０でも良い）ｎｍ以下を指す。また、代表波長とは、各色光の波長領域の真ん中の波長としても良いし、光源から発する光のスペクトル分布に基づいた重心の波長としても良い。

尚、本実施例においては、第１の偏光ビームスプリッタ４の材料として、屈折率が１．８０５１８、アッベ数が２５．４３の材料を、第２の偏光ビームスプリッタ（偏光分離素子）７の材料として、屈折率が１．８４６６６、アッベ数が２３．８３の材料を用いている。ここで、これらの第１、２の偏光ビームスプリッタは、より好ましくは以下の条件式を満足する。
νｄ１−νｄ２＞１．０ ・・・（１ａ）
１０．０＞νｄ１−νｄ２ ・・・（１ｂ）
ここで、本実施例の上述の効果について図２を用いて更に詳細に説明する。図２は本実施例の軸上色収差を模式的に表した図であり、横軸は波長を、縦軸は軸上色収差量を示す。図中実線は、第１光路（第１色光の光路上において液晶パネルからスクリーンの間に配置された光学系）における軸上色収差、２点鎖線は第２光路（第２、３色光の光路上において液晶パネルからスクリーンの間に配置された光学系）における軸上色収差を示している。尚、ここでは、投射レンズ１２の軸上色収差は、緑色波長（赤色光、緑色光、青色光の中で最も比視感度の高い緑色光の波長）に対して、赤色波長、青色波長が同じ側（オーバー側）に収差が出るようにしている。これは、赤色波長、青色波長の光が、緑色波長の光に対してアンダー側に収差が出る場合は、オーバー側に収差が出る場合に比べてボケ方が大きくなってしまうからである。

また、本発明においては、第１、２の偏光ビームスプリッタのアッベ数が（１）の関係になっているため、青色光の波長領域においては、軸上色収差量が第１光路より第２光路の方が大きくなる。このように、第１、２光路によって軸上色収差を異ならせることによって、次の２つの効果を生じさせることができる。

第１に、元々投射レンズ１２が持っていた軸上色収差量ΔＡに、アッベ数が小さいことで生じる軸上色収差ΔＢを加えることができるため、投射レンズだけでは発生しきれなかった軸上色収差を事実上増やすことができる。更に、第１光路で発生する軸上色収差と第２光路で発生する軸上色収差とに差をつけることができる（本実施例では第２光路で発生する軸上色収差量の方が大きい）。この結果、青色光の代表波長λｂと赤色光の代表波長λｒとで、所定の大きさの軸上色収差量の差を発生させることができ、それぞれの色光に対応する液晶パネルを第２の偏光ビームスプリッタから所定の距離だけ異なる位置に配置することができる。このため、青色光と赤色光の光路、すなわち第２の光路において発生する干渉縞を抑制する（低減する）ことができる（より低減しやすい構成となる）。

第２に、第１光路においては緑色光の波長領域（緑色光帯域）内における軸上色収差の差を小さくし、第２光路においては赤色光の波長領域内における軸上色収差の差を小さくすることができる。これは従来の２つの光路で同じアッベ数の偏光ビームスプリッタを用いた場合にはえられなかった効果であり、緑色光と赤色光については投射レンズ本来の性能よりも高い性能を得ることができる。一方、青色光については干渉縞の発生を抑制する（回避する）ため、投射レンズ単体よりも軸上色収差量（色フレア量）は大きめになってしまう。しかしながら、青色光は３原色の中で人間の比視感度が最も低いことを考えれば、青色光（特に短波長側の光）の帯域内の軸上色収差（色フレア）は解像にあまり影響を与えないと考えて良い。

ここで、前記第３色光（青色光）の代表波長をλＢ、前記第１色光（緑色光）の代表波長をλ１、第１光路におけるλＢとλ１の間の軸上色収差量をΔＡ、第１および第２の偏光ビームスプリッターの光路上の厚さをＬとする。更に、第１の偏光ビームスプリッターの材料（ガラス材料）のλＢ、λ１における屈折率を各々ｎＢ１、ｎ１１、第２の偏光ビームスプリッターの材料（ガラス材料）のλＢ、λ１における屈折率を各々ｎＢ２、ｎ１２する。更に、プロジェクターの投射レンズのＦナンバー値をＦＮＯ、液晶パネルの画素ピッチをＰ、光源の可干渉距離をＣとするとき、
３・ＦＮＯ・Ｐ ＞ ΔＡ＋ΔＢ ＞ Ｃ／２ ・・・（２）
ただし ΔＢ＝（Ｌ／ｎ１２−Ｌ／ｎＢ２）−（Ｌ／ｎ１１−Ｌ／ｎＢ１）を満足するとより好ましい。

ここで、ΔＡ＋ΔＢは、投射レンズと偏光ビームスプリッタにおいて発生する軸上色収差の量を示している。ここで、この条件を満足しない場合には、干渉縞の発生を低減する効果が得られない、或いは第３色光（青色光）の帯域内において軸上色収差の発生量が大きくなり過ぎてしまい、画質が劣化してしまう。

また、より好ましくは、
３・ＦＮＯ・Ｐ ＞ ΔＡ＋ΔＢ ＞ Ｃ ・・・（２ａ）
を満足すると良い。

更に、Ｃは一般的なプロジェクター光源においては２０μｍ程度であるため、上記の条件式（２）、（２ａ）は以下のように書き換えることができる。
３・ＦＮＯ・Ｐ ＞ ΔＡ＋ΔＢ ＞ １０μｍ ・・・（２ｂ）
３・ＦＮＯ・Ｐ ＞ ΔＡ＋ΔＢ ＞ ２０μｍ ・・・（２ｃ）
以上の本実施例によれば、相対的に比視感度の低い青色光の帯域内において軸上色収差を発生させることにより、赤色光と緑色光という比視感度の高い色光に関しては軸上色収差を発生を低減しつつ、青色光と赤色光との間に軸上色収差の差を発生させることができる。すなわち、比視感度の高い２つの色光の画像光については帯域内の軸上色収差の差を抑えつつ、干渉縞の発生を低減（抑制）することができるため、解像度の高い画像投射装置を提供することができる。

本実施例１において、第２の波長選択性波長板を省き、光路合成素子は第３色光を偏光方向にかかわらず透過する構成としても良い。この場合、第２の波長選択性波長板が配置されていた位置に、第３色光（青色光）用の偏光板を配置すればコントラストの低下を防ぐことができる。また、照明光学系内の偏光変換素子においてｐ偏光に揃えることとしたが、これは後段の第１、２偏光ビームスプリッターに対してｐ偏光に揃えるという意味であって、偏光変換素子に対してｐ偏光に揃える、と言う意味ではない。また、ここではｐ偏光に揃えたが勿論ｓ偏光に揃えても構わない。また第２、３色光の光路は逆であっても構わない。

尚、本発明にとって、条件式（１）、（２）は必ずしも必須の構成では無く、これらの条件式は本発明にとってより好ましい条件に過ぎない。

例えば、第１、２の偏光ビームスプリッタの材料として、以下の４つの材料を組み合わせることが好ましい。しかしながら、この４つの材料に限らず、他の材料を用いても構わない。
第１の材料：屈折率が１．８４９８６、アッベ数が２４．１
第２の材料：屈折率が１．８４６６６、アッベ数が２３．８３
第３の材料：屈折率が１．８４１３９、アッベ数が２４．６
第４の材料：屈折率１．８０５１８、アッベ数が２５．４３
勿論、これらの第１、２、３、４の材料を、第１、２の偏光ビームスプリッタの材料として用いる場合には、好ましくは条件式（１）、更に好ましくは条件式（１ａ）、（１ｂ）を満足する硝材を用いると望ましい。

［参考例］
図３は本発明の参考例である投射型表示装置を示す概略図である。本参考例の構成は実施例１とほぼ同じであるため、実施例１と同じ点については詳細な説明は省略する。

本参考例が実施例１と異なる点は、第１光路に進む第１色光が赤色光、第２光路の第２色光は緑色光、第３色光は青色光となっている点である。

この構成を用いたときの軸上色収差の模式図を図４に示す。この図４からも分かるように、プロジェクタの投射レンズは、最も比視感度の高い緑色光帯域内において軸上色収差が小さくなるようにしている。この構成においては、緑色光に対して短波長側の青色光は長波長側の赤色光に比べて軸上色収差（緑色光の軸上色収差との差）が大きくなりやすい。そこで、本参考例のように、元々軸上色収差の差が大きくなりやすい緑色光と青色光を第２の光路に沿って進ませることにより、２つの色光の間の軸上色収差の差を得やすい構成となる。

言い換えれば、本参考例においては、実施例１と同じ投射レンズを用いた場合であっても、ΔＡの量（第２光路に進む２つの色光の間の軸上色収差の差）が大きくなる。この参考例のように構成すれば、青色光と緑色光との軸上色収差の差をより大きく確保することができる。こうすれば、青色光用液晶パネルと第２の偏光ビームスプリッタ７との距離と緑色光用液晶パネルと第２の偏光ビームスプリッタとの間の距離との差をより大きくすることができるため、干渉縞をより確実に低減（抑制）することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもない。

例えば、実施例は第１光路がダイクロイックミラー３によって反射される光路となっているが、透過光路であっても良い。また、光路合成素子１１についても実施例では偏光ビームスプリッタとして記載しているが、ダイクロイックミラーをはじめとするその他の光路合成素子でも実現可能である。

本発明の第１の実施形態である投射型表示装置の概略図 本発明の第１の実施例における軸上色収差の説明図 本発明の参考例である投射型表示装置の概略図 本発明の参考例における軸上色収差の説明図

１ 光源
２ 照明光学系
３ 光路分離素子（ダイクロイックミラー）
４ 第１の偏光ビームスプリッタ
５ 第１の反射型液晶パネル
６ 第１の波長選択性波長板
７ 第２の偏光ビームスプリッタ
８ 第２の反射型液晶パネル
９ 第３の反射型液晶パネル
１０ 第２の波長選択性波長板
１１ 光路合成素子（偏光ビームスプリッタ）
１２ 投射レンズ

Claims (2)

1. 第１色光、第２色光、第３色光に対応する第１反射型液晶パネル、第２反射型液晶パネル、第３反射型液晶パネルと、
   光源からの白色光のうち、前記第１色光が進む第１光路と前記第２、第３色光が進む第２光路の２つの光路に分離する色分離素子と、
   前記第１光路と前記第２光路とを合成する光路合成素子と、
   前記第１光路に配置され、前記第１色光を前記第１反射型液晶パネルに導き、前記第１反射型液晶パネルからの第１画像光を前記光路合成素子に導く第１の偏光分離素子と、
   前記第２光路に配置され、前記第２色光を前記第２反射型液晶パネルに導き、前記第３色光を前記第３反射型液晶パネルに導き、前記第２、第３反射型液晶パネルからの第２、第３画像光を合成して前記光路合成素子に導く第２の偏光分離素子と、
   前記光路合成素子からの前記第１、第２、第３画像光を投射する投射光学系を有する画像投射装置において、
   前記第１色光が緑色光であり、前記第２色光が赤色光であり、前記第３色光が青色光であり、
   前記第１の偏光分離素子と前記第２の偏光分離素子とが互いに分散が異なり、
   前記第１の偏光分離素子のアッベ数をνｄ１、前記第２の偏光分離素子のアッベ数をνｄ２としたとき
   νｄ２ ＜ νｄ１
   であることを特徴とする画像投射装置。
2. 前記青色光の代表波長をλＢ、前記第１色光の代表波長をλ１、前記第１光路におけるλＢとλ１の間の軸上色収差量をΔＡ、前記第１および第２の偏光分離素子の厚さをＬ、前記第１の偏光分離素子の材料のλＢ、λ１における屈折率を各々ｎＢ１、ｎ１１、前記第２の偏光分離素子の材料のλＢ、λ１における屈折率を各々ｎＢ２、ｎ１２するとき、
   ３・ＦＮＯ・Ｐ ＞ ΔＡ＋ΔＢ ＞ Ｃ／２
   ただし、ΔＢ＝（Ｌ／ｎ１２−Ｌ／ｎＢ２）−（Ｌ／ｎ１１−Ｌ／ｎＢ１）
   ＦＮＯ：前記投射光学系のＦナンバー
   Ｐ：前記第１の反射型液晶パネルの画素ピッチ
   Ｃ：前記光源の可干渉距離
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。

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