JP5858664B2

JP5858664B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP5858664B2
Application number: JP2011147426A
Authority: JP
Inventors: 悠山内; 猪子　和宏; 和宏猪子
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: JP2013015632A

Description

本発明は偏光変換素子およびそれを用いた画像表示装置に関し、特に立体視するための視差画像を表示可能な画像表示装置とそれに用いる偏光変換素子に関するものである。

従来、立体視が可能な画像表示装置の技術として、特許文献１には、ＲＧＢの色光を合成するプリズムと投射レンズとの間に、投射光の偏光方向を０度と９０度の間で切換える液晶セルを配置する構成が開示されている。特許文献２には、ＲＧＢの色光を合成するプリズムと投射レンズとの間に、投射光の偏光方向を右回りの円偏光と左回りの円偏光の間で切換える液晶セルを配置する構成が開示されている。

特開２００５−０６５０５５号公報特開２００５―１１５２７６号公報

しかし、特許文献１、２に記載の発明では、結像性能に対して敏感に影響を与えてしまう投射光路中に液晶セルを配置しているため、投射画像の解像度が低下してしまう。

本発明は、解像度の低下を抑えた画像を表示することが可能な偏光変換素子およびそれを用いた画像表示装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の画像表示装置は、
入射した光の偏光状態を第１偏光または第２偏光に選択的に変換する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子を出射した前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第１の光変調素子と、
前記偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第２の光変調素子を有し、
前記偏光変換素子は、入射した光の偏光状態に応じて光を分離する偏光分離面と、入射した光に対して付与する位相差を制御可能な液晶素子を有し、
前記液晶素子は、前記偏光変換素子から出射する光の偏光状態が前記第１偏光及び前記第２偏光のうちいずれかになるように、前記偏光分離面により分離された前記第１偏光の光と前記第２偏光の光に対して互いに異なる位相差を付与する、
ことを特徴とする。

また、投射光学系が取り外し可能に装着される画像表示装置も本発明の一側面を構成する。

本発明は、照明光路において偏光方向を選択的に変換して出射させる偏光変換素子、又はそれを用いて偏光変換を行うことにより、解像度の高い画像を表示可能な画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態１の構成図本発明のＰＢＳアレイの拡大図本発明の液晶素子の正面図本発明の偏光変換素子においてＰ偏光に偏光変換された場合の光路図本発明の偏光変換素子においてＳ偏光に偏光変換された場合の光路図本発明の実施形態１における偏光状態の切換えの説明図本発明のＰＢＳアレイの他の形態の拡大図本発明の実施形態２の構成図本発明の実施形態２における偏光状態の切換えの説明図本発明の実施形態３の構成図本発明の実施形態３における偏光状態の切換えの説明図

（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の画像投射装置の構成図を示す。光源１から発せられた光は、リフレクタ２で反射され、第１のフライアイレンズ３で複数の光束に分割され、第２のフライアイレンズ４とＰＢＳアレイ５の近傍に複数の光源像を形成する。光源像を形成する複数の光束は、ＰＢＳアレイ５、液晶素子６（位相変換素子）を通過することにより、所定の偏光状態に変換される。そして、液晶素子６を通過した光束は、コンデンサレンズ７、偏光分離素子８を介して反射型の画像表示素子９（第１の光変調素子）、あるいは、反射型の画像表示素子１０（第２の光変調素子）を均一に照明する。画像表示素子９、１０のいずれを照明するかは、ＰＢＳアレイ５と液晶素子６によって変換される偏光状態によって変わる。以下、ＰＢＳアレイ５と液晶素子６を含めて、偏光変換素子と称する。光源１からコンデンサレンズ７までを、照明光学系とする。

画像表示素子９、１０に入射し、その偏光状態が変えられた光は、再び偏光分離素子８に入射し、投射レンズ１１（投射光学系）側に向かう光と、光源１側に戻る光とに分離される。投射レンズ１１側に向かう光を画像光とすると、画像光は、投射レンズ１１によって拡大され、スクリーン上（被投射面）に投射される。投射レンズ１１は、画像表示装置本体に対して取り外しが可能である。

ＰＢＳアレイ５は、図２に示すように複数のＰＢＳ２１（偏光分離面）と遮光板２２で構成される。複数のＰＢＳ２１は、偏光変換素子の入射面に対して略４５度に傾斜しており、図２のｘ軸方向（特定の方向）に配列されている。

液晶素子６は、ＰＢＳアレイ５の出射側、つまり、コンデンサレンズ７側に配置される。言い換えれば、光源側から画像表示素子側に向かって順に、ＰＢＳアレイ５、液晶素子６が配置される。偏光変換素子５は、光源１から発せられた光の偏光状態をＰ偏光（第１偏光）あるいはＳ偏光（第２偏光）に変換可能な素子である。さらに、Ｐ偏光、Ｓ偏光いずれの偏光に揃えるかを選択的に制御することができる。尚、本明細書において、Ｐ偏光、Ｓ偏光は、偏光分離素子８の偏光分離面を基準にして定義している。

液晶素子６は、複数の液晶セルを有し、コンデンサレンズ７の光軸を法線とする面を正面とした場合、図３のように短冊状の液晶セル２３（第１の液晶セル）、液晶セル２４（第２の液晶セル）がｘ軸方向に沿って（特定の方向に沿って）、交互に配列されている。ＰＢＳ２１で分離された偏光光のうち、Ｓ偏光の光が通過する光路上に液晶セル２３が、Ｐ偏光の光が通過する光路上に液晶セル２４が配置される。また、短冊状（長方形）の液晶セル２３、２４の短辺方向がｘ軸方向と平行になるよう配置されている。

液晶素子６は、電圧を印加することにより、入射光に与える位相差を制御可能な素子であり、入射光の位相を変化させることができる。以下、液晶素子６が、入射光に与える位相差を制御する手段を制御手段と称する。ＰＢＳアレイ５と液晶素子６を通過する非偏光光をＰ偏光の光に揃えたい場合、図３に示す液晶セル２３の入射光に与える位相差が、λ／２になるような電圧を液晶セル２３に印加する。一方、液晶セル２４が入射光に与える位相差が、ゼロになるような電圧を液晶セル２４に印加する。あるいは、液晶セル２４の電圧無印加状態において、入射光に対して与える位相差がゼロの場合には、電圧を印加しない。

これにより、図４に示すようにＰＢＳアレイ５と液晶素子６を通過した非偏光光は、Ｐ偏光の光に偏光変換され、偏光分離素子８を透過し、画像表示素子１０を照明する。画像表示素子１０で偏光状態が変えられた光のうち、Ｓ偏光成分は、偏光分離素子８により反射され、画像光として投射レンズ１１に導かれる。そして、投射レンズ１１により拡大され、スクリーン上に投射される。

ＰＢＳアレイ５と液晶素子６を通過する非偏光光をＳ偏光の光に揃えたい場合、図３に示す液晶セル２４の入射光に与える位相差が、λ／２になるような電圧を液晶セル２４に印加する。一方、液晶セル２３は、入射光に対して位相差を付与しないようにする。これにより、図５に示すようにＰＢＳアレイ５と液晶素子６を通過した非偏光光は、Ｓ偏光の光に偏光変換され、偏光分離素子８により反射され、画像表示素子９を照明する。画像表示素子９で偏光状態が変えられた光のうち、Ｐ偏光成分は、偏光分離素子８を透過し、画像光として投射レンズ１１に導かれる。そして、投射レンズ１１により拡大されスクリーン上に投射される。

以上のように、液晶素子６をＰＢＳアレイ５の出射側に配置する。そして、制御手段が、液晶素子６の液晶セル２３、２４が入射光に与える位相差を制御することにより、選択的に偏光変換素子を出射する偏光光の偏光状態を切換えることができ、スクリーン上に投射される光の偏光状態を制御することができる。

偏光制御により偏光変換される偏光状態が、所定のタイミングでＰ偏光の光、Ｓ偏光の光と切換わるように制御することで、照明光は交互に画像表示素子９、１０を照明する。図６にその一例を示す。ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・ｔ６は、偏光状態が切換わるタイミングの表を示す。

画像表示素子９により変調され、投射レンズ１１を介して投射された画像を右眼用の画像（視差画像）とし、画像表示素子１０により変調され、投射レンズ１１を介して投射された画像を左眼用の画像（視差画像）とする。この画像を観察者が偏光眼鏡を介して観察することで、立体的な画像（映像）を見ることができる。

上記説明のとおり、本発明は、結像性能に敏感に影響を与えてしまう投射光路中に液晶素子等を配置していないので、解像度（解像感）の高い画像（映像）を投射できる。

投射光路とは、本実施形態においては、画像表示素子９、１０と投射面との間であり、照明光路とは、光源１から偏光分離素子８までの光路である。画像表示素子と投射面は、互いに共役な関係にあり、画像表示素子で形成された像が投射面に結像されるので、投射光路中に液晶素子等を配置してしまうと、収差による影響が直接、投射画像のぼけとして現れてしまう。これに対して、照明光は画像表示素子を照明することが目的なので、本発明のように照明光路中に液晶素子６を配置しても、解像度は低下しない。

また、２Ｄ画像を投射する場合は、偏光変換素子で偏光変換を行わずに非偏光光を出射させ、その非偏光光によって画像表示素子９、１０両方を照明する。このとき、画像表示素子９、１０は、同じ画像信号に基づいて入射光を変調する。これにより、照明光が、各画像表示素子に与えるエネルギーが、１つの画像表示素子を照明する場合に比べ分散されるので、画像表示素子を長期に亘って使用することができる。

また、２Ｄ画像を投射する場合の他の形態として、３Ｄ画像投射時と同じように、偏光変換素子で、入射光をＰ偏光の光、Ｓ偏光の光、交互に偏光変換を行う。そして、画像表示素子９、１０は、同じ画像信号に基づいて入射光を変調する。このように、所定のタイミングで出射させる偏光光の状態を切換えることで、照明光を異なる画像表示素子に入射させることができる。これにより、画像表示素子の焼き付きを低減させることができる。

さらに、光源１としてレーザー光源を用いた場合には、偏光変換素子を出射する光束の偏光方向を時間ごとに異ならせることで、スクリーン上を照明する投射光の偏光方向を異ならせることが可能となる。この結果、スクリーン上に発生するスペックルノイズの低減も可能となる。以上の、２Ｄ画像投射する場合におけるメリットは、以下の実施形態においても同様に得ることができる。

実施形態１では図２、図３のようにＰＢＳアレイ５と液晶セル２３、２４を有する液晶素子６が一体的に構成された偏光変換素子について説明した。しかし、これに限られず、図７に示すように、遮光板２５と位相差板２６を有する一般的なＰＢＳアレイ（偏光変換素子）の後段（コンデンサレンズ側）に別体として液晶素子を配置しても同様の機能を得ることができる。

（実施形態２）
図８に本発明の実施形態２の構成図を示す。実施形態１と異なる点は、ダイクロイックミラー３８を用いて色分離を行う点であり、光源１からコンデンサレンズ７までは実施形態１と同じである。

ダイクロイックミラー３８は、Ｇ光（緑の波長帯域の光、第１色光）を透過、Ｂ光（青の波長帯域の光、第２色光）とＲ光（赤の波長帯域の光、第３色光）を反射させる特性を有する。ダイクロイックミラー３８で反射された光は、波長選択性位相板３９でＲ光のみ、その偏光方向が略９０度回転され第１の偏光分離素子４０（偏光ビームスプリッタ）で、Ｂ光とＲ光は分離される。その後、画像表示素子４２、画像表示素子４１で偏光状態が変えられた光のうち、画像光は、第１の偏光分離素子４０、合成プリズム４３（色合成素子、光路合成素子）を介して投射レンズ１１でスクリーンに拡大投射される。合成プリズム４３は、Ｇ光に関しては偏光方向に関わらず反射させ、Ｒ光とＢ光に関しては偏光方向に関わらず透過させる特性を有する。

ダイクロイックミラー３８によって反射されたＢ光とＲ光のいずれが画像表示素子４２、画像表示素子４１を照明するかは、ＰＢＳアレイ５と液晶素子６（偏光変換素子）において、非偏光光がＰ偏光の光あるいはＳ偏光の光のどちらに偏光変換されたかに依存する。仮に、偏光変換素子により、Ｐ偏光の光に偏光変換された場合、Ｒ光は画像表示素子４２に入射し、Ｐ偏光の画像光としてスクリーン上に投射される。このとき、Ｂ光は画像表示素子４１に入射し、Ｓ偏光の画像光としてスクリーン上に投射される。一方で、偏光変換素子により、Ｓ偏光の光に偏光変換された場合は、画像表示素子４１に入射し、Ｓ偏光の画像光としてスクリーン上に投射される。このとき、Ｂ光は、画像表示素子４２に入射し、Ｐ偏光の画像光としてスクリーン上に投射される。実施形態２では、偏光変換される偏光方向によって、Ｒ光とＢ光が照明する画像表示素子が入れ替わる。

ダイクロイックミラー３８を透過したＧ光についても同様であり、Ｐ偏光の光に偏光変換された場合は、画像表示素子４７に入射し、Ｓ偏光の画像光としてスクリーン上に投射される。一方で、Ｓ偏光の光に偏光変換された場合は、画像表示素子４６に入射し、Ｐ偏光の画像光としてスクリーン上に投射されることになる。

ここで、右眼にはＰ偏光の画像光が入射し、左眼にはＳ偏光の画像光が入射すると仮定すると、画像表示素子４２、４６は右眼用に対応し、画像表示素子４１、４７は左眼用に対応することになる。図９に、偏光変換素子が、出射光の偏光状態を切換えるタイミングと各画像表示素子に入射する色光の関係表を示す。

（実施形態３）
図１０に本発明の実施形態３の構成図を示す。光源１からコンデンサレンズ７までは実施形態１と同じである。Ｒ光とＧ光を透過し、Ｂ光を反射させる特性のダイクロイックミラー５８を透過した光は、Ｒ光を透過し、Ｇ光を反射させるダイクロイックミラー５９で分離される。ダイクロイックミラー５９を透過したＲ光は、偏光分離素子６０を介して、画像表示素子６１または画像表示素子６２を照明する。画像表示素子６１あるいは６２で反射された画像光は、クロスプリズム６３で反射され、投射レンズ６４を介してスクリーン上に拡大投射される。

Ｇ光については、ダイクロイックミラー５９で反射された後、偏光分離素子６５を介して画像表示素子６６または画像表示素子６７を照明する。画像表示素子６６、６７により反射された画像光は、クロスプリズム６３を透過して、投射レンズ６４を介してスクリーン上に拡大投射される。

Ｂ光については、ダイクロイックミラー５８で反射されたあと、ミラー６８、リレーレンズ６９、偏光分離素子７０を介して画像表示素子７１または画像表示素子７２を照明する。画像表示素子で反射された画像光は、Ｒ光とＧ光と同様にクロスプリズム６３により反射されて投射レンズ６４を介してスクリーン上に拡大投射される。クロスプリズム６３は、Ｒ光透過、Ｇ光透過、Ｂ光反射の第１色分離面と、Ｒ光反射、Ｇ光透過、Ｂ光透過の第２色分離面を有する。

実施形態３も、実施形態２と同様に、コンデンサレンズ７と画像表示素子との間に配置された偏光分離素子に対して２つの画像表示素子が配置されている。２つの画像表示素子のいずれが照明されるかは、ＰＢＳアレイ５と液晶素子６（偏光変換素子）で偏光変換される偏光方向に依存する。図１１に、偏光変換素子が、出射光の偏光状態を切換えるタイミングと各画像表示素子に入射する色光の関係表を示す。

他の実施形態として、ＰＢＳアレイ５によって分離されたＰ偏光の光とＳ偏光の光それぞれにλ／４の位相差を付与するように液晶素子６を制御することで、偏光変換素子を出射する光束の偏光方向を右回りの円偏光あるいは左回りの円偏光に揃えることができる。そして、液晶素子６の後段（コンデンサレンズ側）にλ／４板を配置することで、偏光変換素子に入射する光束の偏光方向をＰ偏光の光、あるいはＳ偏光の光に揃えられる。このようにして、時間毎に偏光変換素子を出射する光束の偏光状態を切換えても良い。

尚、光源と光変調素子との間に配置され、入射した光の偏光を第１偏光または第２偏光に選択的に変換する偏光変換素子が、実施形態１から３で説明したような構成要素を有する画像表示装置に用いられることにより、より好適な形態となる。上記構成要素とは、偏光変換素子を出射した第１偏光の光を透過し、第２偏光の光を反射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子を透過した第１偏光の光が入射する第１の光変調素子と、前記偏光分離素子を反射した第２偏光の光が入射する第２の光変調素子である。

１光源
５ＰＢＳアレイ
６液晶素子
９、１０画像表示素子

Claims

入射した光の偏光状態を第１偏光または第２偏光に選択的に変換する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子を出射した前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第１の光変調素子と、
前記偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第２の光変調素子を有し、
前記偏光変換素子は、入射した光の偏光状態に応じて光を分離する偏光分離面と、入射した光に対して付与する位相差を制御可能な液晶素子を有し、
前記液晶素子は、前記偏光変換素子から出射する光の偏光状態が前記第１偏光及び前記第２偏光のうちいずれかになるように、前記偏光分離面により分離された前記第１偏光の光と前記第２偏光の光に対して互いに異なる位相差を付与する、
ことを特徴とする画像表示装置。
前記液晶素子は、第１の液晶セルと第２の液晶セルを有し、
前記第１の液晶セルと前記第２の液晶セルは、前記偏光変換素子の入射面に沿って交互に配置され、
前記第１の液晶セルは、前記偏光分離面によって分離された前記第１偏光の光の光路上に配置され、
前記第２の液晶セルは、前記偏光分離面によって分離された前記第２偏光の光の光路上に配置され、
前記偏光変換素子は、前記偏光変換素子を出射する光の偏光状態が、前記第１偏光になるよう制御する場合、前記第１の液晶セルが、入射光に付与する位相差がゼロになるよう制御し、前記第２の液晶セルが、入射光に付与する位相差がλ／２になるよう制御し、
前記偏光変換素子を出射する光の偏光状態が前記第２偏光になるよう制御する場合、前記第１の液晶セルが、入射光に付与する位相差がλ／２になるように制御し、前記第２の液晶セルが、入射光に付与する位相差がゼロになるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
前記偏光変換素子は、入射した光の偏光状態を前記第１偏光または前記第２偏光に交互に変換することを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
光源を有し、
前記光源がレーザー光源であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の画像表示装置。
前記第１の光変調素子と前記第２の光変調素子は、同じ画像信号に基づいて、入射光を変調することを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の画像表示装置。
前記第１の光変調素子、及び前記第２の光変調素子により変調された画像光を、投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の画像表示装置。
入射した光の偏光を第１偏光または第２偏光に選択的に変換することが可能な偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光に含まれ、互いに波長が異なる第１色光、第２色光、第３色光のうち前記第１色光及び前記第３色光を前記第２色光とは異なる光路に導くダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーからの前記第１色光のうち前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する第１偏光分離素子と、
前記ダイクロイックミラーからの前記第２色光のうち前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する第２偏光分離素子と、
前記ダイクロイックミラーからの前記第３色光のうち前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する第３偏光分離素子と、
前記第１偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第１の光変調素子と、
前記第１偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第２の光変調素子と、
前記第２偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第３の光変調素子と、
前記第２偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第４の光変調素子と、
前記第３偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第５の光変調素子と、
前記第３偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第６の光変調素子と、
前記第１偏光分離素子からの光と、前記第２偏光分離素子からの光と、前記第３偏光分離素子からの光を合成して投射光学系に導くクロスプリズムと、を備え、
前記偏光変換素子は、入射した光の偏光状態に応じて光を分離する偏光分離面と、入射した光に対して付与する位相差を制御可能な液晶素子を有し、
前記液晶素子は、前記偏光変換素子から出射する光の偏光状態が前記第１偏光及び前記第２偏光のうちいずれかになるように、前記偏光分離面により分離された前記第１偏光の光と前記第２偏光の光に対して互いに異なる位相差を付与する、
ことを特徴とする画像表示装置。
入射した光の偏光を第１偏光または第２偏光に選択的に変換することが可能な偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの光に含まれ、互いに波長が異なる第１色光、第２色光、第３色光のうち前記第２色光及び前記第３色光を前記第１色光とは異なる光路に導くダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーからの前記第２色光及び前記第３色光のうち前記第３色光の偏光方向を回転させる位相板と、
前記位相板からの前記第２色光及び前記第３色光のうち前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する第１偏光分離素子と、
前記ダイクロイックミラーからの前記第１色光のうち前記第１偏光の光を透過し、前記第２偏光の光を反射する第２偏光分離素子と、
前記第１偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第１の光変調素子と、
前記第１偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第２の光変調素子と、
前記第２偏光分離素子を透過した前記第１偏光の光が入射する第３の光変調素子と、
前記第２偏光分離素子を反射した前記第２偏光の光が入射する第４の光変調素子と、
前記第１偏光分離素子からの光と、前記第２偏光分離素子からの光を合成して投射光学系に導く色合成素子と、を備え、
前記偏光変換素子は、入射した光の偏光状態に応じて光を分離する偏光分離面と、入射した光に対して付与する位相差を制御可能な液晶素子を有し、
前記液晶素子は、前記偏光変換素子から出射する光の偏光状態が前記第１偏光及び前記第２偏光のうちいずれかになるように、前記偏光分離面により分離された前記第１偏光の光と前記第２偏光の光に対して互いに異なる位相差を付与する、
ことを特徴とする画像表示装置。