JP2006146074A

JP2006146074A - 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

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Publication number: JP2006146074A
Application number: JP2004339281A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takaura; 淳高浦; Toshiaki Tokita; 才明鴇田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP4608292B2

Abstract

【課題】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において、高画質化表示のため光路シフト素子を用いて画素ずらしを行う方法がある。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て、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ことができるが、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、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。
【解決手段】画素ずらし手段２１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の方がが小さく変換されることを特徴とするＮＡ変換光学系２０を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタに代表される画像表示装置で、特に画素ずらし手段を用いて、ライトバルブが有する画素数よりも多くの画素からなる画像を投射表示する画素ずらし表示装置に関するものであり、より広い意味では光路シフト光学系に関する。

図５は画素ずらしに用いる光路シフト素子を説明するための図である。
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（ｄｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）や液晶ライトバルブ、ＬＣｏＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）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。

上記の光路シフト素子においては、同図のように、カバーガラス３を通過した主光線４が液晶層１に対し垂直に入射し、異常光線が液晶層１に対して垂直に射出するように設計され、空間変調素子面上の全ての物体高に対する光路シフト量が同一になるようにしている。このため、上記の光路シフト素子を用いた際において、光路シフト素子に入射する主光線４が液晶層１に対して垂直に入射することが重要である。（因みに常光線は光路シフトしない。）
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・（ａ^２−ｂ^２）(ｓｉｎψ・ｃｏｓψ)／（ｂ^２ｃｏｓ^２ψ＋ａ^２ｓｉｎ^２ψ）
・・（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。

図６は液晶層に垂直でない入射光を含む場合を説明すするための図である。
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。

鴇田才明、他、"FLC Resolution-Enhancing Device for Projection Display"、Society for Information Display、２００２、２０８頁

上記の光路シフト技術あるいは画素ずらし投射表示技術には、以下のような課題がある。
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。

第一の課題は、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ことを特徴とするＮＡ変換光学系を設けた光路シフト光学系によって解決される。

第二の課題は、画素をシフトさせる場合には、少なくとも、ライトバルブと、前記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の間に画素ずらし手段を具備し、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、前記偏光分離手段と前記画素ずらし手段の間に、ライトバルブ側を物体側、画素ずらし手段側を像側とし、物空間と像空間の両側が略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ことを特徴とするＮＡ変換光学系を設けた画素ずらし投射光学系によって解決される。

第三の課題は、上記解決策において、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たことを特徴とする、画素ずらし投射光学系によって解決される。

第四の課題は、第二、第三の課題の解決策における画素ずらし投射光学系において、液晶を挟持する透光性基板の屈折率を液晶層の屈折率よりも小さくすることで解決される。（請求項４）

本発明は、ＮＡ変換光学系を用いることにより、従来と比較して光路シフト素子による波面収差を小さくし、解像特性の劣化を回復することを目的とする。

＜第１の実施形態＞
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。

上記の系において、前記のＮＡ変換光学系を用いない場合、前記画素ずらし素子２１を挿入するとＭＴＦは低下するが、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。回復の効果は、上向き光線、下向き光線の、前記画素ずらし素子への入射角が垂直に近いほど高くなる。これは、ＮＡが小さく変換されることにより、画素ずらし素子を通過した波面収差量が低減するために得られる効果である。
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。

図２は物体から投影レンズまでの光学系を説明するための図である。
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（ｄｉｇｉｔａｌｍｉｒｒｏｒｄｅｖｉｃｅ）の使用も可能である。

＜第２の実施形態＞
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。

＜第３の実施形態＞
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。

＜第４の実施形態＞
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。

＜第５の実施形態＞
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。

＜第６の実施形態＞
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。

＜第７の実施形態＞
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。

以上のように、本発明によれば、ＮＡ変換光学系を用いることにより、従来と比較して光路シフト素子による波面収差を小さくできるので、例えば、光波を結像させて用いる場合には、得られるスポットの集光特性は良好なものに改善される。
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。

画素ずらし手段の液晶を挟持する透光性基板の屈折率を液晶の屈折率よりも小さくすることで、画素ずらし手段の液晶層へ伝搬する光束の波面収差が少ない系にすることができ、投射画像の解像特性を向上することができる。
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。

本発明の実施形態を説明するための図である。物体から投影レンズまでの光学系を説明するための図である。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。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。画素ずらしに用いる光路シフト素子を説明するための図である。液晶層に垂直でない入射光を含む場合を説明するための図である。

符号の説明

０光路シフト素子
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
２０ＮＡ変換光学系
２１画素ずらし素子

Claims

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。