JP2008209560A

JP2008209560A - 映像投射装置

Info

Publication number: JP2008209560A
Application number: JP2007045071A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Nagasawa; 大輔長澤; Susumu Takagi; 進高木; Akifumi Aono; 暁史青野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-09-11

Abstract

【課題】レーザー光源を用いた高寿命の映像投射装置を提供する。
【解決手段】第一の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第一の光学ユニットと、第二の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第二の光学ユニットと、第三の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第三の光学ユニットと、前記第一から第三の光学ユニットからの略平行光の光軸上に各々配置された映像信号を表示するための第一から第三の透過型液晶と、前記第一から第三の光学ユニットと前記第一から第三の透過型液晶との間に各々配置された第一から第三の多層膜フィルタと、前記第一から第三の透過型液晶の各々の透過光を合成して単一の投射光となるように配置されたクロスダイクロイックプリズムとを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー素子を光源に用いる透過型液晶プロジェクタ装置に適するのに最適な映像投射装置であって、特に光学的多層膜を形成した光学素子を用いた映像投射装置に関する。

従来の技術を、図６に示す。符号３００Ｒは第１の液晶ライトバルブであり、液晶パネル３０１Ｒと、液晶パネルの光入射面側および光射出面側に配置された第１および第２の偏光板３０２Ｒｉ，３０２Ｒｏと、液晶パネルと第１および第２の偏光板との間にそれぞれ配置された第１および第２の光学補償フィルム３０５Ｒ，３０６Ｒと、を備えている。また３００Ｇ,３００Ｒも同様の構成で３ＬＣＤタイプの液晶プロジェクタのＲＧＢ各色を分離合成する役割を担っている。偏光板３０２Ｒｉ，３０２Ｒｏは液晶に必要なＳ偏光成分を取り出すために配置され、３００Ｒの液晶ライトバルブの入射側、出射側に配置され高コントラストの画像を取り出す。配置されたＲＧＢの各液晶パネルに表示された映像信号に応じたＲＧＢ毎の映像光がクロスダイクロイックプリズム５２０により一つに合成され投射レンズ５４０に導かれることによりスクリーンＳＣに投射される（例えば特許文献１参照）。

また、近年、従来のランプ光源に換えて、レーザー素子を用いたレーザー光源を用いて、投射装置の色再現性や光源寿命の向上を図る技術が公開されている（例えば特許文献２参照）。
特開２００１−１７４７７６号公報特開２００３−９８４７６号公報

近年、映像投射装置は、従来の業務用途からリアプロジェクションＴＶに代表される家庭用途に需要が広がり、その結果、映像投射装置の要である光学エンジンは、より小型なものが要求されている。そのため、光学エンジンに使われている透過型液晶は、従来の１．５インチサイズから０．７インチサイズへと小さくなっており、さらに０．５インチ以下になることが予想されている。このダウンサイジングは透過型液晶のみに留まらず、光学エンジン内のその他の素子にもあてはまる。そのため、光学エンジンへ内部を構成する各素子の単位面積あたりのエネルギー密度が益々増大している。このため、使用する素子の熱寿命が問題になってきている。

さらに近年では、色再現性や高輝度画像の要望に応えるため、従来のランプ光源に変えて特許文献２に示すレーザー素子が光源として用いられてきた。このような光源では、さらにエネルギー密度が高いため、従来の技術で使用されている光学素子、例えば偏光板のような有機系材料で構成している部品では熱による有機系材料の劣化が激しくなる。その結果初期の光学特性を満たせないため、結果として映像投射装置の寿命が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので、光源にレーザー素子を用いた場合においても、熱による寿命低下を効果的に防止することができる映像投射装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の映像投射装置は、第一の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第一の光学ユニットと、第二の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第二の光学ユニットと、第三の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第三の光学ユニットと、前記第一から第三の光学ユニットからの略平行光の光軸上に各々配置された映像信号を表示するための第一から第三の透過型液晶と、前記第一から第三の光学ユニットと前記第一から第三の透過型液晶との間に各々配置された第一から第三の多層膜フィルタと、前記第一から第三の透過型液晶の各々の透過光を合成して単一の投射光となるように配置されたクロスダイクロイックプリズムとを備えたことを特徴としたものである。

以上のように本発明の映像投射装置によれば、レーザー光源のような高エネルギー密度の光源を用いても、熱による偏光板の劣化が生じ難いため、映像投射装置の熱による寿命低下効果的に防止することができる。更に、鉛フリー化も達成しており、従来のＰＢＳのように材料組成に鉛を混入させた特殊なガラスを使用しないために耐環境にも優れている。

以下に、本発明の映像投射装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

（実勢の形態１）
図１は本発明の多層膜フィルタを用いた投射装置の基本構成である。光源としては、第一の波長を持つレーザー素子（Ｒ）（ここでは、６３０ｎｍ）と、第二の波長を持つレーザー素子（Ｇ）（ここでは、５３０ｎｍ）、第三の波長を持つレーザー素子（Ｂ）（ここでは、４３０ｎｍ）から構成されている。そして、それぞれのレーザー素子ＲＧＢから投射されたビームを略平行光にするために、それぞれのレーザービームに対応してフィールドレンズ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂが光軸上に配置されている。そして、フィールドレンズ１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂを通過した光は、液晶ライトバルブ１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂにおいて画像情報に応じて直交二つの偏光方向に選択的に透過、または反射させる。本実施の形態では、Ｐ偏光成分を透過、Ｓ偏光成分を反射させている。このように変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム１１０で合成され、投写レンズ１２０によってスクリーン１３０上にカラー画像が投写表示されることとなる。つまりその再生像は、スクリーン上で±１次の回折像、すなわち実像として観察される。

ここで液晶ライトバルブの詳細な動作について、赤（Ｒ）の場合を図２(ａ)にて説明する。液晶ライトバルブ１０４Ｒの光射入射面側の第１の偏光板１０２Ｒが備えられ、その第一の偏光板は光軸上の光軸に対して略４５度で配置された無機材料からなる光学多層膜フィルタで構成されている。さらに液晶ライトバルブ１０４Ｒの光射出面側には第２の偏光板１０６Ｒが光軸上の光軸に対して直交するように設けられている。ここでは、Ｓ偏光成分は反射され不要光となり、Ｐ偏光成分が映像を表示するための液晶パネル１０４Ｒに投射され、赤色の画像光が形成される。また液晶パネルと第１および第２の偏光板との間に第１および第２の光学補償フィルム１０３Ｒ，１０５Ｒとがそれぞれ配置されており、この光学補償フィルムはコントラストの入射角依存性を低減する役割があり、液晶パネルの特性と逆の光学特性、すなわち、液晶パネルの屈折率異方性（複屈折性）による影響を打ち消すような光学特性を有している。

図２（ｂ）１００Ｇ緑（Ｇ）図２（ｃ）１００Ｂ青（Ｂ）も同様の構成となっている。１０２Ｇ，１０２Ｂは第１の偏光板であり、１０４Ｇ、１０４Ｂは液晶ライトバルブであり、１０３Ｇ，１０３Ｂ，１０５Ｇ、１０５Ｂは光学補償フィルムであり、１０６Ｇ，１０６Ｂは第２の偏光板である。

次に図３で本発明に使用している多層膜フィルタの光学特性を示す。２０１Ｒ、２０１Ｇ、２０１Ｂは略４５度で配置させた時のレーザー波長、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光学特性を示したものである。縦軸は透過率（％）横軸に波長(ｎｍ)をとり、実線がＰ偏光成分、破線がＳ偏光成分を示す。この図からもわかるように本発明の光学多層膜フィルタはＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分は反射させるＰ／Ｓ分離特性を備え、尚且つ各色に限定した特定の光成分のみを透過させる特性を持たせている。図３に示すようにＳ偏光成分が反射し、Ｐ偏光成分が透過していることがわかる。

ここで、図４に第一の波長６３０ｎｍでの光学特性を例に詳細な説明をする。図中のレーザー光の光エネルギーはレーザーの基本波長で規格を行っている。第一の波長６３０ｎｍにおいてＳ偏光成分は反射、Ｐ偏光成分は透過していることがわかる。レーザー光源はコヒーレント性に優れており、直進性が高く、発生する電磁波の波長を一定に保つことができる。実際本実施例で使用しているレーザー光源の半値波長としては±０．５ｎｍである。つまり、ここでは、６３０ｎｍでの特性に加えて、６２９．５ｎｍでもＳ偏光成分は反射、Ｐ偏光成分は透過、かつ６３０．５ｎｍでもＳ偏光成分は反射、Ｐ偏光成分は透過を示す光学特性を示す必要がある。

第二の波長５３０ｎｍ、第三の波長４３０ｎｍについても同様である。これらに対応する光学素子、たとえば１０２Ｒ、１０２Ｇ，１０２Ｂの光学特性は上述の要件を満たさなければならない。更に、ＴｐをＰ偏光成分の透過率、ＴｓをＳ偏光成分の透過率とした場合、コントラスト比（Ｔｐ／Ｔｓ）を１０００：１以上の実現をするために、各レーザー波長に対して、Ｔｐが９５％以上、Ｔｓが０．１％以下の条件が必要である。また、設置した際のがたつきを考慮に入れると、Ｐ／Ｓの分離幅は広いほうが望ましい。本実施ではＰ偏光成分の５０％値、Ｓ偏光成分の５０％値の差を３０ｎｍとした。

本発明に使用している多層膜フィルタの膜構成の説明をする。ガラスの上に誘電体二種類を積層した。本実施例で具体的な誘電体として高屈折材料Ｎｂ₂Ｏ₅と低屈折材料ＳｉＯ₂を用いた。赤（Ｒ）（ここでは、６３０ｎｍ）、緑（Ｇ）（ここでは、５３０ｎｍ）、青（Ｂ）（ここでは、４３０ｎｍ）すべて構成は３４層とした。このフィルタは光源となるレーザーの波長のＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる機能を要件とする。膜構成としては、高屈折材料Ｎｂ₂Ｏ₅と低屈折材料ＳｉＯ₂の交互の繰り返しとし、参照波長の膜厚λ／４毎に積み重ねた基幹層を中心とし、λ／４以外の膜厚からなる調整層を基板側、空気側にそれぞれ配置した３ブロックで構成される。

第一ブロックの調整層は４層、第二ブロックの基幹層は２４層、第三ブロックの調整層は６層で構成させていて、この合成積層膜から構成された光学多層膜である。二つの調整層の役割はＰ／Ｓの分離幅を基本形状時より広げ、スロープの傾斜をさらに鋭角にし、透過帯域、反射帯域にできるリップルを低減する最適化を担っている。基幹層の役割は、各レーザー波長帯域よりも短波長側が反射帯域、長波長側が透過帯域のＬＷＰＦ（ロングウェーヴパスフィルター）とする膜設計の基本構成を決定するものである。

図５を使用して詳しい説明をする。赤色レーザー光に対応した光学多層膜フィルタを作成する場合を以下に説明すると、参照波長を６００ｎｍとし、λ／４の膜厚を１.０の単位として第一の調整層は(glass｜１．０２Ｈ／１．０４Ｌ／０．９２Ｈ／０．９２Ｌ｜)の４層で構成され、基幹層は（｜１．０Ｈ／１．０Ｌ｜）を１２回繰り返す２４層で構成され、第二の調整層は（｜０．９５Ｈ／０．９０Ｌ／０．８５Ｈ／０．９２Ｌ／０．９２Ｈ／０．６８Ｌ｜Ａｉｒ）の６層で構成される。これら３ブロックの合成積層膜である。緑（Ｇ）（ここでは、５３０ｎｍ）の参照波長は５００ｎｍ、青（Ｂ）（ここでは、４３０ｎｍ）の参照波長は４２５ｎｍとして設計を行った。各々対応するレーザー光源の波長において、膜構成及び膜厚比率が同様で、予め設定された参照波長を変えることだけでＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する光学多層膜を特徴としている。

なお、本実施例では、材料にＳｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅を用いているが、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）各々のレーザー波長に於けるフィルタを作成するときの誘電体の屈折率の波長分散特性を有し、かつ消衰係数が略ゼロに漸近する特性を有する材料で高屈折率材料として屈折率が１．７以上、低屈折率材料として屈折率が１．５以下であれば良い。一例として前記高屈折率材料にＴｉＯ₂、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、Ａｌ₂ Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃等のいずれかを主成分とする材料や前記低屈折率材料にＭｇＦ₂、ＬｉＦ、ＡｌＦ₃、Ｎａ₃ＡｌＦ₆等のいずれかを主成分とする材料を用いることができる。また、本実施の形態では２種類の材料の積層膜で構成したが、２種類以上の材料を使った積層膜でも良い。

本実施例での多層膜フィルタは、シンクロン社製のラジカルアシストスパッタ装置を使って作成した。ラジカルアシストスパッタ装置は、スパッタリング法を用いているが、通常の反応性スパッタと違う点は、通常同じ領域にあるスパッタ工程と反応工程を空間的・電気的に分離し、独立に制御できるようになっており、高速レート成膜が可能である。

また、この方式ではスパッタ付着粒子の運動エネルギーが非常に高いため、緻密な微細構造を持ち、吸収係数の小さい膜を作製するのに適している。成膜としては、カルーセルといわれるドラム状の基板ホルダーに基板を格納し、成膜チャンバー内の回転機構によって、成膜室内を高速回転し、成膜室内の側面に備えられているターゲットによって、スパッタ成膜が行われ、その後、成膜領域以外に配置されているラジカル源によって酸化膜が形成される。そして、これらの繰り返しによって多層膜が形成される。ここでは、ターゲットして、金属ターゲットであるＳｉとＮｂを使用した。

また、スパッタガスとしてはアルゴン、ラジカルガスとしては酸素を用いて行った。カルーセルはφ９６０ｍｍ、基板ホルダーとしては正２４角形筒の多角形筒でサイズはＷ：２５０ｍｍ×Ｈ：５５０ｍｍ、基板はＷ：１００ｍｍ×Ｈ：１００ｍｍが縦方向に３枚格納されているものを用いて、スパッタ成膜時の回転速度としては１００ｒｐｍで行った。実際に積層したＳｉＯ₂、ならびにＮｂ₂Ｏ₅は無機材料であり、かつ吸収係数も０．０００５以下とレーザー光に対する光劣化も心配ない。

以上のように本発明の映像投射装置によれば、レーザー光源のような高エネルギー密度の光源を用いても、無機材料からなる多層膜を持つ光学素子を偏光板として用いることで、レーザー光による光吸収の劣化が生じ難いため、映像投射装置の熱による寿命低下効果的に防止することができる。

本発明にかかる映像投射装置は、レーザー光源による高エネルギー密度の光束による熱的劣化を効果的に防止でき、リアプロジェクション装置あるいはフロントプロジェクション装置に用いる映像投射装置に有用である。

本発明の実施の形態における投射装置の構成を示す図本発明の実施の形態における液晶ライトバルブ及び偏光板の構成を示す図本発明の実施の形態におけるＲ，Ｇ，Ｂ光学特性図本発明の実施の形態における光学素子のＲの波長に対する光学特性を示す図本発明の実施の形態における光学多層膜フィルタ構成の図従来の液晶ライトバルブ及び偏光板の構成を示す図

符号の説明

１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂ液晶ライトバルブ
１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂフィールドレンズ
１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ第１の偏光板
１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ第１の光学補償フィルム
１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂ液晶パネル
１０５Ｒ、１０５Ｇ、１０５Ｂ第２の光学補償フィルム
１０６Ｒｏ、１０６Ｇｏ、１０６Ｂｏ第２の偏光板
１１０クロスダイクロイックプリズム
１２０投写レンズ
１３０スクリーン
２０１Ｒ赤（Ｒ）分光特性図
２０１Ｇ緑（Ｇ）分光特性図
２０１Ｂ青（Ｂ）分光特性図
２０２Ｈ高屈折率誘電体Ｈ材料薄膜
２０１Ｌ低屈折率誘電体Ｈ材料薄膜
３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂ液晶ライトバルブ
３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ液晶パネル
３０２Ｒｉ、３０２Ｇｉ、３０２Ｂｉ第１の偏光板
３０２Ｒｏ、３０２Ｇｏ、３０２Ｂｏ第２の偏光板
３０５Ｒ、３０５Ｇ、３０５Ｂ第１の光学補償フィルム
３０６Ｒ、３０６Ｇ、３０６Ｂ第２の光学補償フィルム
５２０クロスダイクロイックプリズム
５２１赤色光反射膜
５２２青色光反射膜
５４０投写レンズ
ＳＣスクリーン

Claims

第一の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第一の光学ユニットと、
第二の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第二の光学ユニットと、
第三の波長を持つレーザー光源からのレーザービームを略平行光に変換するための第三の光学ユニットと、
前記第一から第三の光学ユニットからの略平行光の光軸上に各々配置された映像信号を表示するための第一から第三の透過型液晶と、
前記第一から第三の光学ユニットと前記第一から第三の透過型液晶との間に各々配置された第一から第三の多層膜フィルタと、
前記第一から第三の透過型液晶の各々の透過光を合成して単一の投射光となるように配置されたクロスダイクロイックプリズムとを備えた映像投射装置。
前記第一から第三の光学ユニットは、前記第一から第三のビームの光軸上にビームの照度を均一化し略平行光にするために少なくとも一つ以上のフィールドレンズを備えた請求項１記載の映像投射装置
前記第一から第三の多層膜フィルタは、各々対応する前記第一から第三の光学ユニットと前記第一から第三の透過型液晶との間に略４５度の角度で配置されている請求項１に記載の映像投射装置。
前記第一から第三の多層膜フィルタは、入射光を二つの偏光に分離する偏光分離機能膜を備えた請求項１に記載の映像投射装置。
前記第一から第三の多層膜フィルタは、前記レーザー光源の各々対応する前記第一から第三の波長では、Ｐ偏光成分を透過し、且つＳ偏光成分を反射する光学特性を持つ請求項１に記載の映像投射装置。
前記第一から第三の多層膜フィルタは、各々対応するレーザー光源の前記第一から第三の波長では、入射光のＰ偏光成分の透過率が９５％以上であり、かつＳ偏光成分の透過率Ｔｐは０．１％未満である偏光分離特性を備えた請求項1に記載の映像投射装置。
前記第一から第三の多層膜フィルタは、ガラス基材上に屈折率が１．７以上の高屈折率材料からなる高屈折薄膜と屈折率が１．５以下の低屈折率材料からなる低屈折率薄膜を順次形成して得られた光学多層膜を備えた請求項１に記載の映像投射装置。
前記第一から第三の多層膜フィルタは、前記高屈折率薄膜と前記低屈折薄膜とを交互に複数層積み重ねた第一の調整層と、予め設定した参照波長のλ／４の膜厚を持つ前記高屈折率薄膜と前記低屈折薄膜とを交互に複数層積み重ねた基幹層と、前記高屈折率薄膜と前記低屈折薄膜とを交互に複数層積み重ねた第二の調整層とから構成された光学多層膜を備えた請求項７記載の映像投射装置。
前記第一から第三の多層膜フィルタは、各々対応するレーザー光源の波長において、前記第一と第二の調整層と前記基幹層との層数と各々の膜厚比率は、同一である請求項８に記載した映像投射装置。