JP2005301243A

JP2005301243A - 投影装置

Info

Publication number: JP2005301243A
Application number: JP2005067752A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Inoue; 篤郎井上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】投影レンズの設計複雑化、材料選択の自由度縮小、構成枚数の増加、大型化、重量化を招くことなく、投射面上の画面に生じる軸上色収差と倍率色収差を補正できる投影装置を提供すること。
【解決手段】白色光源１からの各光Ｒ、Ｇ、Ｂの光路上にそれぞれ配置され、各光Ｒ、Ｇ、Ｂの照射により各光Ｒ、Ｇ、Ｂを媒介として画像を形成する液晶セル１２ａ〜１２ｃと、液晶セルで形成された各画像を拡大して拡大画像を形成する画像処理装置１３と、画像処理装置で形成された各拡大画像を媒介する各光Ｒ、Ｇ、Ｂの光路上に配置され、光Ｒ、Ｇ、Ｂを重ね合せて合成画像を形成するクロスダイクロイックプリズム７と、クロスダイクロイックプリズムで重ね合わされた光Ｒ＋Ｇ＋Ｂの光路上に配置され、この光Ｒ＋Ｇ＋Ｂをスクリーン１５に投射する投射レンズ１４を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶セルなどの複数の画像形成手段上に形成される各画像を合成して、スクリーンや画面などの投射面上に投影表示する投影装置に関する。

複数の液晶セル上に表示される各画像を合成して、スクリーン上に投影表示する液晶投影装置が知られている。

図６は従来の液晶投影装置の構成図、図７は従来の液晶投影装置では軸上色収差が生じることを示す説明図、図８は従来の液晶投影装置では倍率色収差が生じることを示す説明図である。

図６に示すように、この液晶投影装置において、白色光源１００から出射した白色光ｗは、照明光学系１０１と偏光光学系１０２により光束の形状と偏光の状態がそれぞれ整えられる。

光束の形状と偏光の状態が整えられた白色光ｗは、干渉フィルタ１０３により赤色、緑色、青色に対応する３つの波長領域の光Ｒ、Ｇ、Ｂに分離される。赤色、緑色、青色の光Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれ第１のプリズム１０４ａ〜１０４ｃに入射し、各第１のプリズム１０４ａ〜１０４ｃと対向配置された液晶セル１０５ａ〜１０５ｃを照明する。

各液晶セル１０５ａ〜１０５ｃに各光Ｒ、Ｇ、Ｂが照明されると、各液晶セル１０５ａ〜１０５ｃにはそれぞれに光Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する画像が表示される。各液晶セル１０５ａ〜１０５ｃが表示した画像は、第１のプリズム１０４ａ〜１０４ｃを透過した後、第２のプリズム１０６により重ね合され、投射レンズ１０７によってスクリーンや画面などの投射面１０８に投影表示される。

しかしながら、前記構成の液晶投影装置では、図７や図８に示すように、各光Ｒ、Ｇ、Ｂが投射レンズ１０７を透過する際に、その波長差により軸上色収差や倍率色収差が発生し、投射面１０８に投射される画像ににじみやボケが発生することがある。

そのため、従来は投射レンズ１０７を複数のレンズで構成し、各レンズの形状、素材、配置などを工夫することで軸上色収差や倍率色収差の補正を行っていた。

しかしながら、このような構成の投射レンズ１０７は、設計が複雑であること、大型であること、レンズの構成枚数の多いこと、各レンズの材料選択自由度が低いこと、高重量であること等の問題があり、これにより装置全体の構成が大型化したり、重量化したり、コストが上昇したりしていた。

そこで、各液晶セルと第２のプリズムの間隔に差を持たせた液晶投影装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この液晶投影装置によれば、色収差の補正機能の無い投射レンズを用いても、各液晶セルから投影レンズまでの各光の光学距離が等しくなるように各液晶セルを配置することで、投射面上の画像に軸上色収差が生じるのを防止できる。
特開２００１−５０９８号公報

しかしながら、前述の要領で各液晶セルを配置しても、投射面上の画像に生じる倍率色収差については補正することができない。

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、投影レンズの設計複雑化、材料選択の自由度縮小、構成枚数の増加、大型化、重量化を招くことなく、投射面上の画面に生じる軸上色収差と倍率色収差を補正できる投影装置を提供することにある。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の投影装置は次のように構成されている。

（１）投影装置において、互いに異なる波長領域を有する複数の光を出射する光源と、前記光源から出射した各光の光路上にそれぞれ配置され、前記各光が照射されることにより、前記各光を媒介として画像を形成する複数の画像形成手段と、前記画像形成手段により形成された各画像を画像処理により拡大して拡大画像を形成する拡大手段と、前記拡大手段により形成された各拡大画像を媒介する各光の光路上に配置され、これらの光を重ね合せることにより、前記各拡大画像を合成して合成画像を形成する合成手段と、前記合成手段により重ね合された光の光路上に配置され、この光を投射する投射レンズと、前記投射レンズから投射される光を受けて前記合成画像を表示する投射面とを具備する。

（２）（１）に記載された投影装置において、前記複数の画像形成手段は、前記各画像形成手段から前記投影面までの各光の光学距離が等しくなるよう配置されている。

本発明によれば、投影レンズの設計複雑化、材料選択の自由度縮小、構成枚数の増加、大型化、重量化を招くことなく、投射面上の画面に生じる軸上色収差と倍率色収差を補正できる。

以下、図面を参照を実施するための最良の形態について説明する。

まず、図１〜図３を用いて本発明しながら本発明の一実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る液晶投影装置の構成図である。

図１中の１は白色光源、２はフライアイレンズ、３は偏光光学素子、４は照射レンズ、５は干渉フィルタ、６ａ、６ｂ、６ｃはプリズム、７はクロスダイクロイックプリズム（合成手段）、８ａ、８ｃは第１の反射鏡、９ａ、９ｂ、９ｃは１／２波長板、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは１／４波長板、１１は第２の反射鏡、１２ａ、１２ｂ、１２ｃは液晶セル（画像形成手段）、１３は画像処理装置（拡大手段）、１４は投射レンズ、１５はスクリーン（投射面）を示している。

白色光源１、フライアイレンズ２、偏光光学素子３、照射レンズ４、干渉フィルタ５、クロスダイクロイックプリズム７、投射レンズ１４、及びスクリーン１５は、軸心線Ｏ上に順に並設されている。

クロスダイクロイックプリズム７は、略立方体状に形成されており、その第１の面７ａの中心と軸心線Ｏが略直角に交差するように配置されている。

プリズム６ａ、６ｃは、クロスダイクロイックプリズム７の第１の面７ａと交差する互いに平行な第２の面７ｂ、第３の面７ｃとそれぞれ対向するように配置されている。プリズム６ｂは、クロスダイクロイックプリズム７の第１の面７ａと対向するように配置される。

液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、各プリズム６ａ、６ｂ、６ｃに対して、プリズム６ａ、６ｂ、６ｃと液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃの間隔がそれぞれ所定の値Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃとなるよう配置されている。

これらＬａ、Ｌｂ、Ｌｃは、それぞれ各液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを経由した光Ｒ、Ｇ、Ｂ（後述する）がスクリーン１５上に投射されるまでに進行する光学距離が等しくなるように設定可能であり、Ｌａ＞Ｌｂ＞Ｌｃを満たしている。

なお、白色光源１としては、白熱電球、冷陰極放電管、ハロゲンランプ、水銀ランプ、高圧水銀ランプ、白色発光ダイオードなどが用いられる。

この液晶投影装置において、白色光源１から出射した白色光ｗは、フライアイレンズ２、偏光光学素子３、及び照射レンズ４を通って干渉フィルタ５に入射する。その際、この白色光ｗは、フライアイレンズ２と照射レンズ４を通ることにより、光束の形状が整えられ、また偏光光学素子３を通ることにより、偏光の状態が整えられる。

干渉フィルタ５に入射した白色光ｗは、赤色、緑色、青色に対応する波長領域を有する光Ｒ、Ｇ、Ｂ（赤色光、緑色光、青色光）に分離され、それぞれ光路３０、４０、５０に沿って進行する。光路３０、５０に沿って進行する光Ｒ、Ｂは、それぞれ第１の反射鏡８ａ、８ｃで反射し、プリズム６ａ、６ｃに入射する。一方、光路４０に沿って進行する光Ｇは直接プリズム６ｂに入射する。

プリズム６ａ、６ｃに入射した光Ｒ、Ｂは、内部の屈折面で略垂直に反射し、１／４波長板１０ａ、１０ｃを通って液晶セル１２ａ、１２ｃに入射する。これによって、各液晶セル１２ａ、１２ｃには、光Ｒと光Ｂに対応する画像が形成される。このとき、反射率を極大化するため、屈折面に対して４５度以外の方向に光Ｒ、Ｂを反射させることもある。

一方、プリズム６ｂに入射した光Ｇは、内部の屈折面で略垂直に反射し、１／４波長板１０ｄを通って第２の反射鏡１１で反対方向に反射される。第２の反射鏡１１で反射された光Ｇは、１／４波長板１０ｄを通って再度プリズム６ｂに入射する。このとき、反射率を極大化するため、屈折面に対して４５度以外の方向に光Ｇを反射させることもある。

この光Ｇは、１／４波長板１０ｄを２回通ることで、その位相がπ／２［ｒａｄ］だけずれているため、プリズム６ｂの屈折面で反射することなく透過する。屈折面を透過した光Ｇは、１／４波長板１０ｂを通って液晶セル１２ｂに入射する。これによって、液晶セル１２ｂには、光Ｇに対応する画像が形成される。

各液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃに形成された画像は、それぞれ画像処理装置１３により光Ｒ、Ｇ、Ｂに応じた倍率Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ（Ｇａ＞Ｇｂ＞Ｇｃを満たしている）で拡大され、拡大画像として各液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃに表示される。なお、各液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを経由した後の光Ｒ、Ｇ、Ｂは、前記拡大画像に対応した断面形状となっている。

倍率Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃは、各液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを経由した光Ｒ、Ｇ、Ｂがスクリーン１５上に投射された際、その画像サイズが等しくなるように設定されている。例えば、液晶セル１２ｂ上に形成される光Ｇに対応する画像を基準（Ｇｂ＝１）とした場合、液晶セル１２ａ上に形成される光Ｒに対応する画像をＧａ＞１で拡大し、液晶セル１２ｃ上に形成される光Ｂに対応する画像をＧｃ＜１で拡大する。なお、拡大の基準としては、光Ｇに対応する画像に代えて、光Ｒに対応する画像あるいは光Ｂに対応する画像であってもよい。

液晶セル１２ａ、１２ｃを経由した光Ｒ、Ｂは、１／４波長板１０ａ、１０ｃを通って再度プリズム６ａ、６ｃに入射する。この光Ｒ、Ｂは、１／４波長板１０ａ、１０ｃを２回通ることで、その位相がπ／２［ｒａｄ］だけずれているため、プリズム６ａ、６ｃの屈折面で反射することなく透過する。そして、屈折面を透過した光Ｒ、Ｂは、１／２波長板９ａ、９ｃを通ってクロスダイクロイックプリズム７に入射する。

一方、液晶セル１２ｂを経由した光Ｇは、１／４波長板１０ｂを通って再度プリズム６ｂに入射する。この光Ｇは、１／４波長板１０ｂを２回通ることで、その位相がπ／２［ｒａｄ］だけずれているため、プリズム６ｂの屈折面で略垂直に反射する。このとき、反射率を極大化するために、屈折面に対して４５度以外の方向に光Ｇを反射させることもある。そして、屈折面で反射した光Ｇは、１／２波長板９ｂを通ってクロスダイクロイックプリズム７に入射する。

このクロスダイクロイックプリズム７は、入射した光Ｒ、Ｇ、Ｂを重ね合せることで、光Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する各拡大画像を合成し、１つの合成画像を形成する。なお、クロスダイクロイックプリズム７を経由することで重ね合された光Ｒ＋Ｇ＋Ｂは、前記合成画像に対応した断面形状となっている。

クロスダイクロイックプリズム７を経由した光Ｒ＋Ｇ＋Ｂは、投射レンズ１４を通ってスクリーン１５上に投射される。これにより、スクリーン１５上には、前記合成画像がカラーで表示される。

本実施の形態に係る液晶投影装置によれば、各液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを経由した光Ｒ、Ｇ、Ｂがスクリーン１５上に投射されるまでに進行する光学距離が等しくなるように、プリズム６ａ、６ｂ、６ｃと液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃの間隔（Ｌａ、
Ｌｂ、Ｌｃ）を調整している。

そのため、各光Ｒ、Ｇ、Ｂの波長差により生じる軸上色収差が補正されるから、スクリーン上に鮮明な画像を投影することができる。

図２は同実施の形態に係る液晶投影装置により軸上色収差が補正されたことを示す説明図である。図２を見ると、各光Ｒ、Ｇ、Ｂの光軸上における焦点が全てスクリーン１５上に位置することが確認できる。これは、軸上色収差が補正されていることを示している。

また、液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃに形成される各画像を画像処理装置１３により光Ｒ、Ｇ、Ｂに応じた倍率で拡大して表示している。

そのため、各光Ｒ、Ｇ、Ｂの波長差により生じる倍率色収差が補正されるから、スクリーン上にさらに鮮明な画像を投影することができる。

図３は同実施の形態に係る液晶投影装置により倍率色収差が補正されたことを示す説明図である。なお、図３中の点Ｐと点Ｑは、各液晶セル１２ａ、１２ｃに表示された画像上の同じ部分を示しており、点Ｐは画像拡大後、点Ｑは画像拡大前である。また、実線は点Ｐから出射した光Ｒ、Ｇ、Ｂの光路を示し、点線は点Ｑから出射した光Ｒ、Ｇ、Ｂの光路を示している。すなわち、図３に示すように、液晶セル１２ａでは画像をｐ／ｑ（＝Ｇａ）＞１となるように拡大し、液晶セル１２ｂでは画像をｐ／ｑ（＝Ｇｂ）＝１となるように拡大し、液晶セル１２ｃでは画像をｐ／ｑ（＝Ｇｃ）＜１となるように拡大している。

図３を見ると、各画像上の同じ部分がスクリーン１５上の同じ位置で結像しているのが確認できる。これは、倍率色収差が補正されていることを示している。

なお、本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。

例えば、図４に示すように、白色光源１の代わりに、光の３原色である赤色、緑色、青色の波長領域を有する第１〜第３の単色光源７１ａ、７１ｂ、７１ｃを用いてもよい。

この場合、第１〜第３の単色光源７１ａ、７１ｂ、７１ｃから出射する各光Ｒ、Ｇ、Ｂの光路上に、それぞれフライアイレンズ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、偏光光学子７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、及び照射レンズ７４ａ、７４ｂ、７４ｃを配置する必要がある。なお、第１〜第３の単色光源７１ａ、７１ｂ、７１ｃとしては、レーザ、レーザダイオード、発光ダイオードなどが用いられる。

また、図５に示すように、白色光源１の代わりに、光の３原色である赤色、緑色、青色の波長領域を有する第１〜第３の単色光源７１ａ、７１ｂ、７１ｃを用い、これら第１〜第３の単色光源７１ａ、７１ｂ、７１ｃから出射する各光Ｒ、Ｇ、Ｂを重ね合せレンズ７５で一度重ね合せて白色光ｗとしてから、再び干渉フィルタ５で赤色、緑色、青色の光Ｒ、Ｇ、Ｂに分離してもよい。なお、第１〜第３の単色光源７１ａ、７１ｂ、７１ｃとしては、レーザ、レーザダイオード、発光ダイオードなどが用いられる。

また、本発明は、前述のようにスクリーン１５上に画像を投影表示するプロジェクタに限定されることはなく、例えばテレビ画面に画像を表示する投影装置としても用いることができる。

また、本実施の形態では、画像形成手段として液晶セル１２ａ、１２ｂ、１２ｃを用いているが、液晶表示装置のように、バックライト等の光源からの光を透過させることで画像を表示する構成であれば、その種類は特に限定されるものではない。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の一実施の形態に係る液晶投影装置の構成図。同実施の形態に係る液晶投影装置により軸上色収差が補正されたことを示す説明図。同実施の形態に係る液晶投影装置により倍率色収差が補正されたことを示す説明図。同実施の形態の第１の変形例に係る液晶投影装置の構成図。同実施の形態の第２の変形例に係る液晶投影装置の構成図。従来の液晶投影装置の構成図。従来の液晶投影装置では軸上色収差が生じることを示す説明図。従来の液晶投影装置では倍率色収差が生じることを示す説明図。

符号の説明

７…クロスダイクロイックプリズム（合成手段）、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…液晶セル（画像形成手段）、１３…画像処理装置（拡大手段）、１４…投射レンズ、１５…スクリーン（投射面）、Ｒ…赤色の光、Ｇ…緑色の光、Ｂ…青色の光。

Claims

互いに異なる波長領域を有する複数の光を出射する光源と、
前記光源から出射した各光の光路上にそれぞれ配置され、前記各光が照射されることにより、前記各光を媒介として画像を形成する複数の画像形成手段と、
前記画像形成手段により形成された各画像を画像処理により拡大して拡大画像を形成する拡大手段と、
前記拡大手段により形成された各拡大画像を媒介する各光の光路上に配置され、これらの光を重ね合せることにより、前記各拡大画像を合成して合成画像を形成する合成手段と、
前記合成手段により重ね合された光の光路上に配置され、この光を投射する投射レンズと、
前記投射レンズから投射される光を受けて前記合成画像を表示する投射面と、
を具備することを特徴とする投影装置。
前記複数の画像形成手段は、前記各画像形成手段から前記投影面までの各光の光学距離が等しくなるよう配置されていることを特徴とする請求項１記載の投影装置。