JP2010054767A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い色再現性により明るい画像を表示するために、レーザなどの第２の光源を併用する投射型画像表示装置において、演色性が高く、小型で高効率の画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】直線状に多数の発光素子が並んでいる赤色レーザ光源１０から出射し、ポリゴンミラー１２により一次元に走査された赤色レーザ光は、フィールドレンズ４２を通過した後で、空間光変調素子５２を照明する。一方、超高圧水銀ランプ２０の出射光は、異なる照明光学系を通って空間光変調素子５０、５１を照明する。空間光変調素子５０、５１、５２により変調された光は色合成プリズム５３により空間的に合成された後で、投射光学系５４により、スクリーン５５に拡大投射される。
【選択図】図１

Description

本発明は形態の異なる光源を用いた投射型画像表示装置に関し、例えば、レーザ光とランプ光を併用した照明装置によって構成されるプロジェクタ等の投射型画像表示装置に適用することができる。

従来、大画面の画像を効率的に得るための一形態として、映像信号に応じた画像を形成する小型の液晶パネル等の空間光変調素子を、ランプなどの光源からの光で照明し、投射レンズによってその光学像をスクリーン上に拡大投射する、プロジェクタなどの投射型画像表示装置が用いられている。

このようなプロジェクタなどの投射型画像表示装置においては、可視光の波長帯域で高い発光効率が得られる超高圧水銀ランプで光源を構成することが一般的である。

超高圧水銀ランプでは、青色および緑色の波長域の光量に対して赤色の波長域の光量の割合が少ないという欠点があるため、青色および緑色の波長域の光量を抑制して赤色の波長域の光量とのバランスを確保する手法が用いられている。

しかしながら、このように青色および緑色の波長域の出射光量を抑制して赤色の出射光量と所望の比を得る方法では、高い照明効率を達成することが困難である。

このため、赤色、緑色、青色の光強度問題を解決する１つの方法として、超高圧水銀ランプに比して発光スペクトルのバランスのとれたキセノンランプ等を用いて光源を構成することも考えられるが、発光効率が劣る欠点がある。

そこで、主たる照明光であるランプ光において光量が不足しやすい波長域については、別の補助的な光源を追加する方法が提案されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。

これらの方法では、第１の光源である超高圧水銀ランプにおいて相対的に光量が小さい赤色の波長域について、第２の補助的な光源としてレーザ光を用いる。これにより、第１の照明光の発光スペクトラムの波長域を第２の照明光で補うことができ、高い色再現性により明るい画像を表示することができる。
特開２００２−２９６６８０号公報 特開２００３−２５５４６５号公報 特開２００４−２９２６７号公報

しかしながら、上記特許文献１では、ダイクロイックミラーでランプ光とレーザ光を合成しているが、レーザ光については強度均一化光学系を通過していないため、空間光変調素子を均一に照明することが困難である。

また、特許文献２や特許文献３では、ランプ光源のリフレクター近傍にてランプ光とレーザ光を合波しているが、この構成では、レーザ光の合波部分がランプ光の光路を遮蔽するため、大出力のレーザ光源や複数の発光素子を用いたレーザ光源には適さない。

本発明は以上の点を鑑みてなされたものであり、ランプ等の第１の光源より出射される照明光を効率良く利用した上で、高い色再現性により明るい画像を表示するために、レーザなどの第２の光源を併用する投射型画像表示装置において、演色性が高く、小型で高効率な照明装置を用いた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の投射型画像表示装置は、複数の発光素子が直線状に配列された第１の光源と、前記第１の光源とは形態の異なる第２の光源と、前記第１の光源からの出射光を前記複数の発光素子の配列方向と直交する方向に走査する走査手段と、映像信号に応じて前記第１の光源および第２の光源からの出射光を変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子から出射された変調光をスクリーンに投射する投射光学系と、を備えていることを特徴とする。

そして、第１の光源が配列されている方向と直交する方向に出射光を走査することにより、空間光変調素子に対して均一な輝度分布を有する照明光を得ることが可能となる。

また、本発明の投射型画像表示装置では、第１の光源として半導体レーザを使用することを特徴とする。半導体レーザにおいては、高出力を得るために、複数の発光素子を配列した構成を用いることが効果的である。

本発明の投射型画像表示装置では、このような、一次元状に略同一出力の発光点が配列された半導体レーザの出力光を、その配列方向と直交する方向に一次元状に走査する。これにより、簡便な構成でありながら、レーザ光を用いた均一な照明光を得ることが可能である。

また、本発明の投射型画像表示装置では、半導体レーザを用いる際に、特に、その中心波長は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色の色域であり、また、第２の光源として放電ランプを使用することを特徴とする。投射型画像表示装置で最も一般的に使用されている超高圧水銀ランプは、青色、緑色に比べて赤色の色域の強度が相対的に低いという特徴を有する。そのため、第１の光源により、この色域の光を補充することが有用である。

また、本発明の投射型画像表示装置では、第１の光源からの出射光の走査手段として、ガルバノミラーあるいはポリゴンミラーを使用することを特徴とする。ガルバノミラーおよびポリゴンミラーは、小型・高精度で一次元の走査を得る手段として好適である。

さらに、本発明の投射型画像表示装置では、第１の光源からの出射光と、第２の光源からの出射光の一部を、空間的に合成する照明光合成手段を備えることを特徴とする。

第２の光源のうち、第１の光源の近傍の波長帯域の光を空間的に合成して同一の光路として、空間光変調素子を照明することにより、さらに高輝度の投射型画像表示装置を得ることができる。

本発明によると、空間光変調素子で形成される画像を、ランプ等の白色の光源とレーザ等の単色性のすぐれた光源とを併用して照明し、投射レンズを用いてスクリーン上に投射する投射型画像表示装置において、複数の発光素子が直線状に配列されたレーザ光源から出射されるレーザ光を１次元に走査することによって、小型で高効率の照明装置を提供でき、空間光変調素子と投射光学系を具備することにより、演色性の高い投射型画像表示装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る投射型画像表示装置を説明する概略構成図、図２は赤色レーザ光源およびコリメートレンズの斜視図である。

本実施の形態では、光源として、超高圧水銀ランプと赤色レーザ光源を使用しており、第１の光源が赤色レーザ光源１０、第２の光源が超高圧水銀ランプ２０である。また、空間光変調素子としては、赤色、緑色、青色の色域に対する３つの透過型液晶変調素子５０、５１、５２を使用している。

図２に示すように、赤色レーザ光源１０は、波長６４０ｎｍで直接発振する半導体レーザであり、直線状に多数の発光素子が並んでいる。本実施の形態では、赤色レーザ光源１０を構成する発光素子１０１は０．４ｍｍピッチで２６個の発光素子が配列されている。

発光素子１０１の配列方向をＸ軸、レーザ光の出射方向をＺ軸、残りの軸をＹ軸とする座標系をとる。発光素子１０１からの出射光は、一般に、Ｘ軸方向とＹ軸方向では発散角度が異なる。

本実施の形態で使用する発光素子１０１は、Ｘ軸方向がＳＬＯＷ軸（発散角度が小さい方向）、Ｙ軸方向がＦＡＳＴ軸（発散角度が大きい方向）となっている。ＦＡＳＴ軸方向のコリメート（平行光化）のために、シリンドリカルレンズであるコリメートレンズ１１を配置している。

ＦＡＳＴ軸方向が略平行光となった赤色レーザ光は、一次元の走査手段であるポリゴンミラー１２へと入射される。ポリゴンミラー１２は回転軸に垂直な断面が正２０角形の形状をしている全反射ミラーである。

ポリゴンミラー１２により一次元に走査された赤色レーザ光は、フィールドレンズ４２を通過した後で、空間光変調素子５２を照明する。ポリゴンミラー１２の走査周波数は、空間光変調素子５２の変調周波数よりも十分に大きくなるように設定されている。

赤色半導体レーザ光の照明均一化について、Ｙ軸方向については、ポリゴンミラー１２の走査によって達成される。Ｘ軸方向については、略均一の発光素子１０１が並んでいることを利用する。

空間光変調素子５２を、赤色レーザ光源１０の出射端面と共役な位置からずらした構成とすることで、ムラのない均一な照明を得ることができる。

一方、超高圧水銀ランプ２０の出射光は、異なる照明光学系を通って空間光変調素子５０、５１を照明する。まず、超高圧水銀ランプ２０の出射光は、リフレクター２１とコリメートレンズ２２を通過して、略コリメート光となった後、レンズアレイ２３およびレンズアレイ２４を通過することにより、輝度均一化が達成される。そして、偏光ビームスプリッタ２５により直線偏光に揃えられた後、集光レンズ２６を通過する。

さらに、ダイクロイックミラー３０により、白色光成分のうち、青色の色域の光のみが反射される。反射された青色域の光は、全反射ミラー３１で折り曲げられた後、フィールドレンズ４０を通過して、空間光変調素子５０を照明する。

ダイクロイックミラー３０を通過した赤色および緑色の色域の成分のうち、ダイクロイックミラー３２により、緑色の色域の光が反射され、フィールドレンズ４１を通過して、空間光変調素子５１を照明する。

空間光変調素子５０、５１、５２により変調された光は色合成プリズム５３により空間的に合成された後で、投射光学系５４により、スクリーン５５に拡大投射される。

本実施の形態では、ダイクロイックミラー３０により、緑色光を透過し、青色光を反射する構成としたが、緑色光を反射し、青色光を透過する構成にしてもかまわない。

また、空間光変調素子として、透過型液晶変調素子を使用したが、反射型液晶変調素子やデジタル・マイクロミラー・デバイスなどを使用してもよい。

本装置は、光源からリレー光学系となるフィールドレンズ４０、４１、４２までの構成は照明装置であり、この照明装置を独立して使用することもできる。これは、以下の実施に述べる形態２においても同様である。

本実施の形態のように、赤色の色域について半導体レーザ光を使用することにより、演色性の高い画像表示装置を得ることができ、その際に、赤色照明光学系においてポリゴンミラーを用いることで、小型で高効率の照明装置を構成することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２に係る投射型画像表示装置を説明する概略構成図、図４および図５はスペクトル特性図である。

本実施の形態では、第１の光源および第２の光源は、実施の形態１と同様の光源を使用しているが、第２の光源の照明光学系において、ダイクロイックミラー３２を通過した赤色光を利用する構成としている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

すなわち、ダイクロイックミラー３２の透過光である超高圧水銀ランプ２０からの赤色光は、リレーレンズ６０、６１、および全反射ミラー６２を経由した後で、ダイクロイックミラー６３を用いることで、赤色レーザ光源１０から出射し、ポリゴンミラー１２により一次元に走査された赤色光と空間的に合波されている。

本構成では、半導体レーザのスペクトルとランプ光のスペクトル形状の違いを利用して、同じ赤色光の合波を行っている。

図４にダイクロイックミラー６３の透過スペクトルを示す。図から判るように、６４０ｎｍを中心として、狭帯域のみを透過する特性を有しており、その他の波長域については、高反射率となっている。

赤色レーザ光源１０は、中心波長６４０ｎｍの狭帯域のスペクトルを有するが、これに対して、超高圧水銀ランプ２０からの赤色光は広帯域のスペクトルを有する。

そこで、レーザ光の波長帯域だけを透過する特性を有するダイクロイックミラー６３を挿入することにより、少ない損失で、２つの赤色光の合波を行うことが可能となる。

図５に本実施の形態における、スクリーン５５上で白色を出力したときのスペクトルを示す。

本実施の形態では、超高圧水銀ランプ２０からの出射光における赤色光も利用しているため、実施の形態１に比べて、より明るい照明装置を用いた投射型画像表示装置を提供することができる。

なお、これらの実施の形態では、ポリゴンミラーを用いたが、ガルバノミラーであってもよい。

本発明の投射型画像表示装置は、簡便な方法で、高輝度を有し、かつ照明エリア内の輝度が平滑化された照明光が提供できるものであり、レーザ光源を照明装置として用いたプロジェクタなどの投射型画像表示装置に有用である。

本発明の実施の形態１に係る投射型画像表示装置の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る赤色レーザ光源およびコリメートレンズの斜視図 本発明の実施の形態２に係る投射型画像表示装置の概略構成図 本発明の実施の形態２に係るダイクロイックフィルタのスペクトル特性図 本発明の実施の形態２に係る白色出力時の投射光のスペクトル特性図

符号の説明

１０ 赤色レーザ光源
１１ コリメートレンズ
１２ ポリゴンミラー
２０ 超高圧水銀ランプ
２１ リフレクター
２２ コリメートレンズ
２３、２４ レンズアレイ
２５ 偏光ビームスプリッタ
２６ 集光レンズ
３０、３２、６３ ダイクロイックミラー
３１、６２ 全反射ミラー
４０〜４２ フィールドレンズ
５０〜５２ 空間光変調素子
５３ 色合成プリズム
５４ 投射光学系
５５ スクリーン
６０、６１ リレーレンズ
１０１ 発光素子

Claims (9)

1. 複数の発光素子が直線状に配列された第１の光源と、前記第１の光源とは形態の異なる第２の光源と、前記第１の光源からの出射光を前記複数の発光素子の配列方向と直交する方向に走査する走査手段と、映像信号に応じて前記第１の光源および第２の光源からの出射光を変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子から出射された変調光をスクリーンに投射する投射光学系と、を備えていることを特徴とする投射型画像表示装置。
2. 前記第１の光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
3. 前記第１の光源の中心波長は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの赤色の色域であることを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記第１の光源と前記走査手段との間にコリメートレンズを配することを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
5. 前記第２の光源は、放電ランプであることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
6. 前記走査手段が、ガルバノミラーあるいはポリゴンミラーであることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
7. 前記空間光変調素子を、前記第１の光源の出射端面と共役な位置からずらした構成とすることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
8. 前記第１の光源からの出射光と、前記第２の光源からの出射光の一部を、空間的に合成する照明光合成手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
9. 前記空間光変調素子として、透過型液晶変調素子を使用することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の投射型画像表示装置。

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