JP3633471B2

JP3633471B2 - 投射型映像表示装置

Info

Publication number: JP3633471B2
Application number: JP2000324683A
Authority: JP
Inventors: 太郎今長谷; 敏大内; 智浩三好
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-10-19
Also published as: JP2002131699A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルあるいは反射式映像表示素子などのライトバルブ素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の投射型映像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
論文ＧａｒｙＤ．Ｓｈａｒｐｅｔａｌ． “ＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＣｏｌｏｒＳｗｉｔｃｈｆｏｒＳｅｑｕｅｎｔｉａｌＣｏｌｏｒＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ”ＳＩＤ２０００ＤＩＧＥＳＴには、特定波長帯域の光軸を偏光させることがきる偏光回転制御素子、例えば、Ｐ偏光光であるＲ（赤）光の偏光軸を回転させてＳ偏光光に変換するＲ偏光回転制御素子、Ｐ偏光光であるＧ（緑）光の偏光軸を回転させてＳ偏光光に変換するＧ偏光回転制御素子、Ｐ偏光光であるＢ（青）光の偏光軸を回転させてＳ偏光光に変換するＢ偏光回転制御素子を用いて液晶パネルに入射する色を周期的に切り替えることができる電子式の時分割光学特性切替素子（以下、光学特性切替素子と言う）について記載されている。
【０００３】
また、上記論文には、光源からの光をリフレクタで反射させ、第１のレンズアレイ、第２のレンズアレイを通過させ、偏光ビームスプリッタでＰ偏光光に変換して、集光レンズを通過後、光学特性切替素子に入射してＲ光、Ｂ光及びＧ光を順次出力させ、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと言う）を透過して、反射型の液晶パネルに入射させ、この液晶パネルで反射させ、映像信号が白表示の時に、液晶パネルにてＰ偏光光をＳ偏光光に変換してＰＢＳで反射させ、この反射光を、投射レンズを通して拡大された映像を得ることが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術に示されるように、時分割光学特性切り替え素子を、集光レンズ出射後のパネル近傍に置くと、時分割光学特性切り替え素子の厚みや材料成分や応力等の面内不均一性に起因して光学性能の面内不均一性がある場合に、上記面内不均一性に起因する照度むらや色むらがパネルに写像されやすい。そのため、時分割光学特性切り替え素子の面内不均一性がスクリーン上の照度むらや色むらの直接の原因となった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記電子式の時分割光学特性切り替え素子を、パネルに集光する働きをする集光レンズよりランプ側に置くことにより、レンズ等の配置構成を変更することなく、照度むらや色むらの少ない投射型表示装置の提供が可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００７】
図１は、本発明における投射型映像表示装置の一実施例の光学構成図であり、ライトバルブとして反射型液晶パネル１２を１枚用いた単板式投射型表示装置を示している。上記装置では液晶パネルに入射する色を周期的に変化させることにより、色を表示する。
【０００８】
光源７から放射される光は楕円面または放物面または非球面のリフレクタ１にて集光され、この反射面鏡リフレクタ１の出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた複数の集光レンズセルにより構成され、リフレクタ１から出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズ２に入射し、さらに複数の集光レンズセルにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、かつ液晶パネル１２に第一のアレイレンズ２の個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズ３を通過する。
【０００９】
出射光は第二のアレイレンズ３の各々のレンズ光軸の横方向のピッチに適合するように配置された各々のレンズ幅の略１／２サイズの菱形プリズムの列により構成された偏光ビームスプリッタ４へ入射する。このプリズム面には偏光ビームスプリッタ膜４ａの膜付けが施されており、入射光は、この偏光ビームスプリッタ膜４ａにてＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光ビームスプリッタ膜を直行し、このプリズムの出射面に設けられたλ／２位相差板４ａにより、偏光方向が９０°回転され、Ｓ偏光光に変換され出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッタ膜により反射され、隣接する菱形プリズム内で本来の光軸方向にもう一度反射してからＳ偏光光として出射される。
【００１０】
偏光板８ａにより特定偏光により偏光度の純度を上げて、電子式の時分割光学特性切り替え素子９に入射する。その後、集光レンズ５に入射する。集光レンズ５は、光をパネルに集光するコリメータレンズ５ａと、パネルへの入射光をテレセントリックに変換するコンデンサレンズ５ｂにより構成される。光学エンジンをコンパクトに構成するために反射ミラー１４にて光路を折り曲げる。
【００１１】
上記時分割光学特性切り替え素子９は、特定波長帯域とそれと異なる波長帯域とでは、異なる偏光軸を有する出射光に変換し、かつ、前記波長帯域を周期的に切り替える。例えば、上記時分割光学特性切り替え素子９からの出射光は、ある時点で赤がＳ偏光、青と緑はＰ偏光、次の時点で青がＳ偏光、赤と緑はＰ偏光、その次の時点で緑がＳ偏光、青と赤はＰ偏光となり、上記３つの状態を周期的に切り替える。
【００１２】
その後の光路で、特定の偏光軸、ここではＳ偏光のみ反射し、Ｐ偏光は透過する偏光ビームスプリッタ膜１０ａを膜付けした直方体型偏光ビームスプリッタ１０に入射させることにより、ある時点で赤のみ反射、次に青、次に緑のみ反射することになる。不要色はＰ偏光ゆえ、偏光ビームスプリッタ膜１０ａを透過し、液晶パネル１２へ入射することはない。上記により、時分割色分離が行われた後、光は変調素子である反射型液晶パネル１２を照射する。ここで、位相補償によるコントラスト向上を可能にするλ／４位相差板１１を液晶パネル１２前に配置している。
【００１３】
この反射型液晶パネル１２は、表示する画素に対応する（例えば横１０２４画素縦７６８画素など）数の液晶表示部が設けてある。そして、外部より入力される信号に従って、液晶パネル１２の各画素の偏光角度が変わり、最終的に入射の偏光方向と直交方向になった光が出射され、偏光方向の一致した光が偏光ビームスプリッタ膜１０ａにより検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、偏光ビームスプリッタ膜１０ａの偏光度との関係で偏光ビームスプリッタ膜１０ａを通る光の量と検光される量とが決まる。このようにして、外部信号に従った画像を投影する。この時、直方体型偏光ビームスプリッタ１０は、反射型液晶パネル１２が黒表示を行う場合に、偏光方向は入射光と同等であり、そのまま入射光路に沿って光源側に戻される。
【００１４】
その後、映像である光は、例えばズームレンズである投射レンズ１３を通過し、スクリーンに到達する。前記投射レンズ１３により、反射型液晶パネル１２に形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。この映像液晶表示装置は、電源により、光源７および液晶パネル１２の駆動を行っている。
【００１５】
上記のように、アレイレンズ２、３により、前記電子式の時分割光学特性切り替え素子９を、液晶パネル１２に集光する働きをする集光レンズよりランプ１側に置くことにより、時分割光学特性切り替え素子９の厚みや材料成分や応力等の面内不均一性に起因して光学性能の面内不均一性があっても、上記面内不均一性に起因する照度むらや色むらがパネルに写像されることはない。そのため、時分割光学特性切り替え素子９の面内不均一性がスクリーン上の照度むらや色むらへの影響を低減することができる。
【００１６】
アレイレンズ２、３と集光レンズ５による時分割光学特性切り替え素子の面内不均一性に起因するスクリーン上の照度むらや色むらの低減作用を説明する。アレイレンズ２、３により、時分割光学特性切り替え素子の面内不均一性に起因して生じた照度むら及び色むらを有した光の分布を、アレイレンズのセル数だけに細かく分割する。その後、集光レンズによりパネル面上に集光することにより、液晶パネル１２上に均一な照度及び色の分布を得るように作用する。
【００１７】
電子式の時分割光学特性切り替え素子９が、角度に依存して、出射する光の色の純度が変化したり、他の色の成分が混じって混色が発生したり、色分離時の半値波長のシフトが生じる等によりスクリーン上の色の純度が劣化する問題が発生する場合がある。ゆえに、できるだけ、時分割光学特性切り替え素子９に入射する光の角度成分を少なくすることが、スクリーン上でより良い色性能を得る方法である。集光レンズ５の後の位置より、集光レンズ５の前の位置の方が、入射光の角度成分が小さく、この位置に時分割光学特性切り替え素子９を配置することにより、色の純度を良くすることができる。
【００１８】
また、図に示すように、一つの空冷ファン６で冷却可能とするため、偏光板８ａと時分割光学特性切り替え素子９を近くに配置している。ただし、偏光板８ａは熱の吸収により放熱するので、偏光板８ａと時分割光学特性切り替え素子９は、その間に空冷ファンによる十分な流路が確保できるように３ｍｍ以上離す必要がある。
【００１９】
ところで、省エネルギー及び騒音低減の観点から、冷却ファンの回転数はなるべく低くしたい。しかし、回転数を低くすると冷却効果は減るので、十分な冷却をするためには、より効率的な冷却を行う必要がある。そのためには、偏光板８ａ及び時分割光学特性切り替え素子９のなるべく広い表面積に風が当たる方がよい。よって、冷却ファン６は偏光板ａと時分割光学特性切り替え素子９の間に空気を送り込める位置に配置される必要がある。例えば、図に示すように、偏光板８ａと時分割光学特性切り替え素子９の横から空気を吹き込む位置に冷却ファン６を配置する。
【００２０】
偏光板８ａによる熱吸収に伴う輻射熱による時分割光学特性切り替え素子９の温度上昇を抑えるために、偏光板８ａのフィルムを貼った方の面を光源側に向けて配置する。
【００２１】
あるいは、偏光板８ａそのものに対する熱対策として、偏光フィルムを貼った面を液晶パネル１２側へ向け、その裏面を光源側に向けて配置し、該裏面にＵＶカットとＩＲカットが設けてもよい。必要によってはスクリーン上で、より良い色純度を得るための不要色光をカットするダイクロカットを該裏面に設けてある。本構成のようにダイクロカットを液晶パネルより離れた位置にある光学部品に設けることにより、カットされた光が投射レンズに入り込んで、コントラストを劣化させることもない。
【００２２】
図２は、本発明による第２番目の一実施形態を示す図である。リフレクタ１の後に偏光ビームスプリッタ４を配置し、時分割光学特性切り替え素子９をその後に配置している。図１の偏光ビームスプリッタ４では有効な入射開口は１列おきに存在するため、その間の列に入った光束は、有効に活用されることはない。本実施例では、偏光ビームスプリッタ４の有効な入射開口は、リフレクタ１と略同等の入射開口を有し、ているため、リフレクタ１からの入射光を全て活用できるので、スクリーン上で、より明るい照度を得ることができる。また、偏光ビームスプリッタ４の膜特性を向上させることにより、時分割光学特性切り替え素子９の前の偏光板８ａを削除することも可能である。そうした場合、偏光板８ａによる吸収損失がなくなるので、スクリーン上で、より明るい照度を得ることができる。また、偏光板８ａによる熱の発生もなくなり、冷却ファンを設置する必要がなくなり、省エネルギー、騒音の低減が可能となる。時分割光学特性切り替え素子９の後に、第一のアレイレンズ２及び第二のアレイレンズ３を配置し、その後に集光レンズを配置している。他の部品の構成及び作用及びは図１と同じである。
【００２３】
図３は、本発明による第３番目の一実施形態を示す図である。これは、色分離を行う他の方法として、回折現象を利用した時分割光学特性切り替え素子９を用いる。図３に実線で示したＯＮ光６ａは、時分割光学特性切り替え素子９で反射されて、液晶パネル１２まで到達する光路へ向けて出射されるが、破線で示したＯＦＦ光６ｂは、時分割光学特性切り替え素子を透過して、コントラスト低下を防止するために黒塗りした遮光板１５へ出射される。ある時点でＯＮ光６ａは青、ＯＦＦ光は緑と赤とし、次の時点でＯＮ光６ａは赤、ＯＦＦ光は緑と青とし、その次の時点でＯＮ光６ａは緑、ＯＦＦ光は赤と青として、上記３つの状態を切り替えることにより色分離を行う。他の部品の構成及び作用は図１と同じである。
【００２４】
図４は、本発明による第４番目の一実施形態を示す図である。これは、２枚の反射型液晶パネル１２ａ、１２ｂを用いた２板式投射型映像表示装置である。
【００２５】
１方のパネル１２ａに１色を表示し、他方のパネル１２ｂに２色を交互に表示する。例えば、１方のパネル１２ａに青、他方のパネル１２ｂに赤と緑を割り当てる。むろん、１方のパネル１２ａに赤、他方のパネル１２ｂに緑と青という組み合わせや、１方のパネル１２ａに緑、他方のパネル１２ｂに赤と青という組み合わせでもよい。
【００２６】
以下、１方のパネル１２ａに緑、他方のパネル１２ｂに赤と青の組み合わせで説明する。光源７、リフレクタ１、第一のアレイレンズ２、第二のアレイレンズ３、偏光ビームスプリッタ４は図１の実施例と同じ働きをする。
【００２７】
ここで、電子式の時分割光学特性切り替え素子９は、特定波長帯域とそれと異なる波長帯域とでは、異なる偏光軸を有する出射光に変換し、かつ、前記波長帯域を周期的に切り替える。具体的に、波長帯域を分割して周期的に切り替える。例えば、素子９からの出射光は、緑は常にＰ偏光で出射し、ある時点で赤はＰ偏光、青はＳ偏光、次の時点で青がＰ偏光、赤がＳ偏光となり、上記２つの状態を周期的に切り替える。
【００２８】
その後、特定の偏光軸、ここではＰ偏光のみ透過する色分離用偏光ビームスプリッタや色分離用偏光板８ｂを通過させることにより、ある時点で緑と青のみ透過、次に緑と赤のみ透過することになり、時分割色分離が行われる。
【００２９】
次に、特定波長選択波長板１６ａにて所定の波長帯域の光の偏光方向を変換する。この場合、特定波長選択波長板１６ａで緑をＰ偏光からＳ偏光に変換し、緑はＰ偏光、赤と青はＳ偏光で出射される。その後、偏光ビームスプリッタ膜１０ａによりＳ偏光である緑は反射されて液晶パネル１２ｂへ出射され、Ｐ偏光である赤と青は透過するので液晶パネル１２ａへ交互に出射される。時分割色分離された光は反射型液晶パネルに読み出し光として入射し、液晶パネルによって、それぞれ変調されて反射して射出される。その後、映像である光は偏光ビームスプリッタ膜１０ａにより、再び合成される。光はズームレンズであるような投射手段１３を通過し、スクリーンに到達する。前記投射手段１３により、反射型液晶パネル１２ａ、１２ｂに形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。
【００３０】
直方体型偏光ビームスプリッタ１０の出射側に特定波長帯域の偏光方向を変換させる特定波長選択波長板１６ｂを挿入し、赤色、緑色、青色全ての光の偏光方向を揃える。これにより、出射偏光板８ｃおよび偏光スクリーンの使用が可能となる。また出射偏光板８ｃを設けているので、偏光度の純度を向上し、コントラストを向上できる。本構成は、他の実施例に比較して、液晶パネルを１枚多く用いている分、より明るいスクリーン上の照度を得ることができる。
【００３１】
図５は、本発明による第５番目の一実施形態を示す図である。リフレクタ１の後に偏光板８ａを配置し、その後に時分割光学特性切り替え素子９を配置している。その後に、第一のアレイレンズ２及び第二のアレイレンズ３を配置している。電子式の時分割光学特性切り替え素子９が、角度に依存して、出射する光の色の純度が変化したり、他の色の成分が混じって混色が発生したり、色分離時の半値波長のシフトが生じる等によりスクリーン上の色の純度が劣化する問題が発生する場合がある。ゆえに、できるだけ、時分割光学特性切り替え素子９に入射する光の角度成分を少なくすることが、スクリーン上でより良い色性能を得る方法である。本構成ではリフレクタ１直後であるので、リフレクタ１後の光路では、入射光の角度成分が最も小さく、この位置に時分割光学特性切り替え素子９を配置することにより、他の実施例に比較して色の純度を良くすることができる。他の部品の構成及び作用は第１図と同じである。
【００３２】
【発明の効果】
電子式の時分割光学特性切り替え素子を、パネルに集光する働きをする集光レンズよりランプ側に置くことにより、レンズ等の配置構成を変更することなく、照度むらや色むらを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図２】本発明の第２番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図３】本発明の第３番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図４】本発明の第４番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【図５】本発明の第５番目の一実施形態を示す投射型液晶表示装置の構成図である。
【符号の説明】
１…リフレクタ
２…第一アレイレンズ
３…第二アレイレンズ
４…偏光ビームスプリッタ
４ａ…λ／２位相差板
５…集光レンズ
５ａ…コリメータレンズ
５ｂ…コンデンサレンズ、
６ａ…ＯＮ光
６ｂ…ＯＦＦ光
７…光源
８ａ…入射側偏光板
８ｂ…色分離用偏光板
８ｃ…出射側偏光板
９…電子式の時分割光学特性切り替え素子
１０…直方体型偏光ビームスプリッタ
１０ａ…偏光ビームスプリッタ膜
１１…λ／４位相差板
１２、１２ａ、１２ｂ…反射型液晶パネル
１３…投射レンズ
１４…反射ミラー
１５…遮光板
１６ａ…入射側特定波長選択偏光変換素子
１６ｂ…出射側特定波長選択偏光変換素子

Claims

光を放射する光源ユニットと、前記光源ユニットの出射光から映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段である映像表示素子と、前記光源ユニットからの光を前記映像表示素子の上に照射させる照明光学系と、前記映像表示素子から出射した光を投射する投射手段と、前記映像表示素子に入射する光の波長帯域を周期的に切り替え可能な時分割切り替えシステムで構成される投射型映像表示装置であって、
前記照明光学系は、
複数の集光レンズセルにより構成され、前記光源ユニットからの光を集光して複数の２次光源像を形成する第一のアレイレンズと、
複数の集光レンズセルにより構成され、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、前記第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズと、
前記第二のアレイレンズ近傍に、光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタの出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光の何れかの偏光方向を回転させるためのλ／２位相差板と、該Ｐ偏光光と該Ｓ偏光光の何れかの偏光光を反射させるための反射部から構成される偏光変換素子と、
前記映像表示素子に光を集光する集光レンズとを有し、
前記波長帯域時分割切り替えシステムは、偏光板と、該偏光板により偏光度の純度を上げた光が入射される電子式の時分割光学特性切り替え素子とを有し、
前記電子式の時分割光学特性切り替え素子が前記集光レンズよりも前記光源ユニット側であって、前記第二のアレイレンズと前記偏光変換素子よりも前記映像表示素子側に配置したことを特徴とする投射型映像表示装置。
光を放射する光源ユニットと、前記光源ユニットの出射光から映像信号に応じた光学像を形成するライトバルブ手段である映像表示素子と、前記光源ユニットからの光を前記映像表示素子の上に照射させる照明光学系と、前記映像表示素子から出射した光を投射する投射手段と、前記映像表示素子に入射する光の波長帯域を周期的に切り替え可能な時分割切り替えシステムで構成される投射型映像表示装置であって、
前記照明光学系は、
複数の集光レンズセルにより構成され、前記光源ユニットからの光を集光して複数の２次光源像を形成する第一のアレイレンズと、
複数の集光レンズセルにより構成され、前記複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、前記第一のアレイレンズの個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズと、
前記第二のアレイレンズ近傍に、光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタの出射光であるＰ偏光光とＳ偏光光の何れかの偏光方向を回転させるためのλ／２位相差板と、該Ｐ偏光光と該Ｓ偏光光の何れかの偏光光を反射させるための反射部から構成される偏光変換素子と、
前記映像表示素子に光を集光する集光レンズとを有し、
前記波長帯域時分割切り替えシステムは、
偏光板と、
該偏光板からの光が入射され、特定波長帯域の光とそれと異なる波長帯域の光とでは、異なる偏光方向を有する出射光に変換し、かつ、前記特定波長帯域を周期的に切り替える電子式の時分割光学特性切り替え素子とを有し、
前記電子式の時分割光学特性切り替え素子が前記集光レンズよりも前記光源ユニット側であって、前記第二のアレイレンズと前記偏光変換素子よりも前記映像表示素子側に配置したことを特徴とする投射型映像表示装置。
前記波長帯域時分割切り替えシステムは、更に、特定波長帯域光の略直線偏光のみ透過あるいは反射する偏光素子を有することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れかに記載の投射型映像表示装置。
前記電子式の時分割光学特性切り替え素子と、少なくとも１枚の前記偏光素子を１台の空冷ファンで冷却可能な構成としたことを特徴とする請求項５に記載の投射型映像表示装置。