JP2020034805A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 輝度変調を行ったのちに、各色の表示素子を照明するために波長毎に色分解する必要があり、色分解の都合上、ある色のみ光路長が異なり、解像力が低下する課題があった。【解決手段】 光源から第１光変調素子に照明する第１集光レンズ系と、前記第１光変調素子からの変調光を複数の色光に分離する色分解系と、色分離された光を複数の第２光変調素子に照明する第２集光レンズ系と、前記複数の第２光変調素子からの光を合成し、被照射面に投影する投影レンズと、を備える光学表示装置であって、第１光変調素子と第２光変調素子の間に各色の光路長を統一する手段を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子画像を拡大投射する投射型表示装置に関する。

パーソナルコンピュータの普及やビデオコンテンツの拡充により画像をスクリーン等に拡大投影する投射型表示装置が多用されている。このような投射型表示装置は、光源から出射された光を液晶パネル（ＬＣＤ、ＬＣＯＳ）やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの小型光変調素子に照明し、スクリーン上に拡大画像を表示させるものである。

近年、人間の視覚に近い輝度レンジや階調数を表示データに持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。しかしながら、それを表示するための表示装置の性能が不足しているため、表現力を充分に発揮することができないという課題がある。

上記の課題を解決するために、次のような提案がなされている。

特許第４１５８７５７号公報 特許第４２４１８７２号公報

特許文献１の技術は、特許文献１に開示された従来技術では、赤用画像表示素子、緑用画像表示素子、青用画像表示素子からの画像光を輝度変調するため、投射レンズから投射される画像光の解像性能を劣化させないためには、高い性能のリレーレンズが必要になるため、画像投射装置が高コストかつ大型化してしまう。

それに対し、輝度変調を行った後に赤用画像表示素子、緑用画像表示素子、青用画像表示素子を照明することで、簡易な構成で高コントラストを実現することができる。但し、輝度変調を行ったのちに、各色の表示素子を照明するために波長毎に色分解する必要があり、色分解の都合上、ある色のみ光路長が異なり、解像力が低下する課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明に係る投射型表示装置は、
光源から第１光変調素子に照明する第１集光レンズ系と、前記第１光変調素子からの変調光を複数の色光に分離する色分解系と、色分離された光を複数の第２光変調素子に照明する第２集光レンズ系と、前記複数の第２光変調素子からの光を合成し、被照射面に投影する投影レンズと、を備える光学表示装置であって、第１光変調素子と第２光変調素子の間に各色の光路長を統一する手段を有することを特徴とする。かかる構成において、本発明の実施例に基づき、さらに詳細に説明する。

本発明によれば、簡易な構成で輝度ダイナミックレンジの広い高品位な画像が得られる投射型表示装置の提供を実現できる。

本発明の第１実施例で示す投射型表示装置の構成説明図 本発明の第１実施例で示す投射型表示装置の構成説明図 解像度低下を示す図 本発明の第２実施例で示す投射型表示装置の構成説明図 本発明の第３実施例で示す投射型表示装置の構成説明図

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の構成を示す構成図である。

本発明は光源ユニット４０からの光を輝度変調する第１の画像表示素子７を照明する照明光学系と第１の画像表示素子７で変調された光を複数色光に分離し、複数の第２の画像表示素子１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂに再結像させるリレーレンズ系で構成される。

光源ユニット４０は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等の光源１と、該光源１からの光を反射するリフレクタ２とを有する。なお、光源ユニット４０として、ＬＥＤやレーザを用いてもよい。また、蛍光光を利用するレーザと蛍光体の構成でもあってもよい。

光源ユニット４０からの光は、光均一化素子である第１フライアイレンズ（小さな球面レンズが２次元的に配列されたレンズアレイ）３ａによって分割及び集光される。分割された各々の分割光束は第２フライアイレンズ３ｂ近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。第１フライアイレンズ３ａおよび第２フライアイレンズ３ｂが光束を分割する手段である。これらのフライアイレンズ３ａ及び３ｂを構成する小レンズは、被照明面である光変調素子７と相似の形状をした矩形レンズ形状をしている。第１フライアイレンズ３ａの各小レンズは光変調素子７の位置と光学的に略共役になっている。光源像が形成される第２フライアイレンズ３ｂ近傍には偏光変換素子４が設けられている。

偏光変換素子４に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子４によって所定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）に変換されて、第１の偏光ビームスプリッタ５（Ｐ偏光透過、Ｓ偏光反射）に入射される。第１の偏光ビームスプリッタ５を透過したＰ偏光光は、第１のコンデンサーレンズ６を介して、第１の画像表示素子７に集光される。

第１の画像表示素子７で変調された光（Ｓ偏光光）は、第１のコンデンサーレンズ６を介して、第１の偏光ビームスプリッタ５で反射された後、ダイクロイックフィルタ８によって第１波長光（Ｂ光）と第２波長光（Ｇ光＋Ｒ光）に分離される。

第１波長光は、第１のミラー９Ｂで反射され、第２のコンデンサーレンズ１０Ｂおよび第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂを介し、第２の画像表示素子１３Ｂに照明される。第２の画像表示素子１３Ｂで変調された第１波長光（Ｐ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂを透過し、クロスダイクロプリズム２０を反射し、投影光学系３０により不図示のスクリーンに投影される。

第２波長光（Ｇ光＋Ｒ光）は、第２のミラー９Ｙで反射され、第２のコンデンサーレンズ１０Ｙを透過し、ダイクロイックフィルタ１１により第３波長光（Ｇ光）と第４波長光（Ｒ光）に分離される。

第３波長光（Ｇ光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｇを介し、第２の画像表示素子１３Ｇに照明される。第２の画像表示素子１２Ｇで変調された第３波長光（Ｐ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｇを透過し、クロスダイクロプリズム２０を透過し、投影光学系３０により不図示のスクリーンに投影される。

第４波長光（Ｒ光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｒを介し、第２の画像表示素子１３Ｒに照明される。第２の画像表示素子１２Ｒで変調された第４波長光（Ｐ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｒを透過し、クロスダイクロプリズム２０を反射し、投影光学系３０により不図示のスクリーンに投影される。

本実施例の第１の偏光ビームスプリッタ５は平板型であるがプリズム型でも良い。また、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂはプリズム型であるが平板型でも良い（図２）。

本実施例の色分解合成系は、反射型の液晶パネルを使った光学系であるが、透過型の液晶パネルを使った光学系やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）であってもよい。

前記、色分解手段を用いる場合、第４波長光（Ｒ光）のみダイクロイックフィルタ１１を透過し、第１波長（Ｂ光）及び第３波長（Ｇ光）と光路長が異なり解像度が低下してしまう（図３）。

第４波長光（Ｒ光）に対応する第２の画像表示素子１３Ｒの位置を光軸方向に移動させることで、第１の画像表示素子７と第２の画像表示素子１３の各波長光の光路長を統一することは可能であるが、投影光学系３０に対するバックフォーカスが異なってしまうため、スクリーンに投影される画の改善にはならない。

本実施例では、図１に示すよう光路長を統一する手段を第１波長（Ｂ光）及び第３波長（Ｇ光）配置することにより、第１の画像表示素子７と第２の画像表示素子１３の各波長光の光路長及び、投影光学系３０に対する各波長光のバックフォーカスを統一することが出来る。これにより、輝度ダイナミックレンジの広い高品位な画像が得られる。

以下、更に望ましい構成について説明する。

ダイクロイックフィルタ１１の厚さをｄ（ｍｍ）、屈折率をｎｄ、光学系のＦナンバーをＦ、補正量をＸ（ｍｍ）とすると、補正量Ｘは
Ｘ＝（ｄ／ｎｄ）±０．０７＊Ｆ
を満足することが望ましい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

図４は、本発明の第２の実施形態を示す図である。

本実施例は漏れ光を減らすために、第２偏光ビームスプリッタ１２の入射側６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂおよび出射側６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂのいずれかまたは両方に、吸収型または反射型の偏光板を配置する。実施例１では第１波長（Ｂ光）及び第３波長（Ｇ光）に光路長補正手段５０Ｂ，５０Ｇを配置していたことに対し、本実施例では第２偏光ビームスプリッタ１２の入射側に配置する偏光板６０の厚さを各波長光路で変えることにより、光路長の統一を実現している。更に望ましくは、偏光ビームスプリッタの出射側に吸収型の偏光板を配置することが望ましい。

これ以外については実施例１と変わらないので全体の光学系の説明は省略する。

図５は、本発明の第３の実施形態を示す図である。コンデンサーレンズの配置が異なる。

実施例１では第３波長光（Ｇ光）と第４波長光（Ｒ光）は共通のコンデンサーレンズ１０Ｙを配置していた事に対し、本実施例では第１波長光（Ｂ光）と第３波長光（Ｇ光）と第４波長光（Ｒ光）それぞれにコンデンサーレンズ７３を配置する。

偏光変換素子４によって所定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）変換された光は、第１のフィールドレンズ７０、第１の偏光ビームスプリッタ５、第１コンデンサーレンズ７１を介して、第１の画像表示素子７に集光される。

第１の画像表示素子７で変調された光（Ｓ偏光光）は、第１のコンデンサーレンズ７１を介して、第１の偏光ビームスプリッタ５で反射され、第２フィールドレンズ７２を通過した後、ダイクロイックフィルタ８によって第１波長光（Ｂ光）と第２波長光（Ｇ光＋Ｒ光）に分離される。

第１波長光は、第１のミラー９Ｂで反射され、第２のコンデンサーレンズ７３Ｂおよび第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂを介し、第２の画像表示素子１３Ｂに照明される。第２の画像表示素子１３Ｂで変調された第１波長光（Ｐ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｂを透過し、クロスダイクロプリズム２０を反射し、投影光学系３０により不図示のスクリーンに投影される。

第２波長光（Ｇ光＋Ｒ光）は、第２のミラー９Ｙで反射され、ダイクロイックフィルタ１１により第３波長光（Ｇ光）と第４波長光（Ｒ光）に分離される。

第３波長光（Ｇ光）は、第２コンデンサーレンズ７３Ｇ及び第２偏光ビームスプリッタ１２Ｇを介し、第２の画像表示素子１３Ｇに照明される。第２の画像表示素子１２Ｇで変調された第３波長光（Ｐ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｇを透過し、クロスダイクロプリズム２０を透過し、投影光学系３０により不図示のスクリーンに投影される。

第４波長光（Ｒ光）は、第２コンデンサーレンズ７３Ｒ及び第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｒを介し、第２の画像表示素子１３Ｒに照明される。第２の画像表示素子１２Ｒで変調された第４波長光（Ｐ偏光光）は、第２の偏光ビームスプリッタ１２Ｒを透過し、クロスダイクロプリズム２０を反射し、投影光学系３０により不図示のスクリーンに投影される。

本実施例ではコンデンサーレンズ７３の曲率半径、硝材、厚さのいずれかもしくはすべてを変えることで光路長の統一を実現している。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、本実施例では反射型の液晶パネルを使った光学系であるが、透過型の液晶パネルを使った光学系やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）であってもよい。

１ 光源、２ リフレクタ、３ａ／３ｂ 光均一化素子、４ 偏光変換素子、
５ 第１偏光ビームスプリッタ、６／７１ 第１コンデンサーレンズ、
７ 第１変調素子、８／１１ ダイクロイックフィルタ、９Ｂ／９Ｙ ミラー、
１０Ｂ／１０Ｙ 第２コンデンサーレンズ、
７３Ｒ／７３Ｇ／７３Ｂ 第２コンデンサーレンズ、
１２Ｒ／１２Ｇ／１２Ｂ 第２偏光ビームスプリッタ、
１３Ｒ／１３Ｇ／１３Ｂ 第２変調素子、
２０ クロスダイクロプリズム、３０ 投射光学系、４０ 光源ユニット、
５０Ｇ／５０Ｂ 光路長補正手段、６０Ｒ／６０Ｇ／６０Ｂ 入射側偏光板、
６１Ｒ／６１Ｇ／６１Ｂ 出射側偏光板、７０ 第１フィールドレンズ、
７２ 第２フィールドレンズ

Claims (4)

1. 光源から第１光変調素子に照明する第１集光レンズ系と、
   前記第１光変調素子からの変調光を複数の色光に分離する色分解系と、
   色分離された光を複数の第２光変調素子に照明する第２集光レンズ系と、
   前記複数の第２光変調素子からの光を合成し、被照射面に投影する投影レンズと、
   を備える光学表示装置であって、
   第１光変調素子と第２光変調素子の間に各色の光路長を統一する手段を有することを特徴とする光学表示装置。
2. 色分解系内に配置される光学素子により発生する光路長差を補正する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光学表示装置。
3. 前記光学素子はダイクロイックフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の光学表示装置。
4. ダイクロイックフィルタの厚さをｄ（ｍｍ）、屈折率をｎｄ、光学系のＦナンバーをＦ、補正量をＸ（ｍｍ）とすると、
   Ｘ＝（ｄ／ｎｄ）±０．０７＊Ｆ
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学表示装置。