JP3770054B2 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置に関するものである。映像表示装置には、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、液晶テレビジョン、投射型ディスプレイ装置等があり、映像表示素子として液晶パネル等のライトバルブを使用している。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル等の映像表示素子に、光源からの光を照射して、液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置が知られている。この投射型映像表示装置は、映像表示素子で画素毎に光源からの光の濃淡を調節し、スクリーンなどに投射するものである。近年、透過型あるいは反射型の映像表示素子は、素子自体の小型化が進むとともに、解像度等の性能も向上している。
【０００３】
このため、映像表示素子を用いた表示装置の小型化や高性能化が進むことで、従来のように単にビデオ信号等による映像表示を行うだけでなく、パーソナルコンピュータの画像出力装置として投射型映像表示装置を用いることも新たに提案されている。このような投射型映像表示装置は、特に小型であること、また、スクリーン上の画面周辺部まで明るい画像を得ることが要求される。しかしながら、従来の投射型映像表示装置は、大型であったり、スクリーン上の画像の明るさ、画質等の性能が不十分であるといった問題があった。
【０００４】
例えば、映像表示装置全体の小型化には、映像表示素子自体の小型化が有効である。しかしながら、映像表示素子を小型化することで被照射面積が小さくなるため、光源が出射する全ての光束量に対して映像表示素子を小型化すると、照明手段による被照射面積が小さくなってしまう。このため、光源が出射する全ての光束量に対して映像表示素子上の光束量の比率（以下、これを光利用効率という）が低くなり、また、スクリーン上の画面周辺部が暗い等の問題が生じる。さらに、映像表示素子は一方向の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を出射する光源からの光の約半分は利用されないことになる。
【０００５】
スクリーン上の画面周辺部で明るい画像を得る手段としては、例えば、特開平３−１１１８０６号公報に、２枚のレンズアレイを用いたインテグレータ光学系が開示されている。インテグレータ光学系は、光源からの光を第1レンズアレイを構成している複数の矩形開口形状の集光レンズによって分割して、各矩形開口形状の出射光を各矩形開口形状の集光レンズに対応した集光レンズ群により構成した第２レンズアレイで照射面（映像表示素子）に重ね合わせて結像させるものである。この光学系では、映像表示素子を照射する光の強度分布をほとんど均一にすることができる。
【０００６】
一方、光源からのランダムな偏光光を一方向の偏光方向に揃えて映像表示素子に照射する光学系としては、特開平４−６３３１８号公報に、偏光ビームスプリッターを利用して、光源から出射するランダムな偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光に分離してプリズムを用いて合成するものが開示されている。
【０００７】
これらの公報において、高画質を実現するために複数の映像表示素子を用いることについて開示されている。一般的には、３枚の映像表示素子を用い、各映像表示素子を光の３原色である赤青緑に割り当てる。従って、単一の光源を用いた場合は光源からの光線を赤青緑の３色に分光してから、各映像表示素子を照射するための分光手段が必要になる。この分光手段は、波長選択性を持ったダイクロイックミラーを光軸に対して４５度に配置し、これを２段階に配置することにより３原色に分光する。その際、４５度に配置のミラーを光線が左右で異なった入射角で介することで、投射される映像の左右の色の均一性が損なわれることがある。これを補正するために特開平８−２８６１６４号公報では、ダイクロイックミラーの分光手段の波長選択性を左右で傾斜をつけるウェッジコートを用いていることが開示されている。しかしながら、ウェッジコートは部品の単価アップにつながり、また投射される映像の左右の色の均一性を完全に補正できない場合があった。また、特開平８−２８６１６４号公報では、映像表示素子への入射光の平行度を向上させるために、映像表示素子の入射側近傍にレンズを配置することが開示されている。しかしながら、部品が多くなり、照明光学系を小型化することが困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、投射される映像の左右の色の均一性を向上させ、明るさおよび画質を改善した投射型映像表示装置を提供することにある。また、小型化を可能とする投射型映像表示装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
特許請求の範囲に記載された発明によって、前記投射型映像表示装置を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図２は、従来の投射型液晶表示装置の構成図である。光源１は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプが用いられ、円形ないし多角形の出射開口を持つ少なくとも１つの反射面鏡５を有し、この光源１から出射される光は、映像表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを透過して合成プリズム１１を介し投射レンズ３に入射し、スクリーン１８へ投射される。
【００１１】
光源１から出射される光は、リフレクタ５で集光され、第1レンズアレイ６、第２レンズアレイ７、偏光ビームスプリッター８、ミラー４、集光レンズ９を介し、ダイクロイックミラー１２、１３に入射する。ダイクロイックミラー１２は、緑色と青色を反射し、赤色を透過する。ダイクロイックミラー１３は、緑色を反射し、青色を透過する。これらのダイクロイックミラーにより、光は、赤、緑、青の３色に分光される。前記ダイクロイックミラー１２を透過した赤色光はミラー１９で反射され、コンデンサレンズ１０Ｒに入射し、映像表示素子２Ｒを照射する。一方、前記ダイクロイックミラー１３で反射した緑色光はコンデンサレンズ１０Ｇに入射し、映像表示素子２Ｇを照射する。また、前記ダイクロイックミラー１３を透過した青色光は第１リレーレンズ１５、ミラー２０、第２リレーレンズ１６、ミラー１４、第３リレーレンズ１７を介し、映像表示素子２Ｂを照射する。赤、緑、青の３色に対応した、映像表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで濃淡を調節された光は、合成プリズム１１によってカラー映像として合成され、例えばズームレンズを用いた投射レンズ３からスクリーン１８に投射される。その結果、各映像表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに形成された画像は、スクリーン上に拡大投射される。
【００１２】
図３は、光源１から出射された光が、図２における前記ダイクロイックミラー１２、１３を透過、もしくは反射して各映像表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ内の各ポイントＡ、Ｂ、Ｃに到達する代表光線であり、特に映像表示素子２Ｒを照射する場合を示す。各ポイントＡ、Ｂ、Ｃに到達する代表光線をそれぞれ光線Ａ、光線Ｂ、光線Ｃとし、赤色光が第1レンズアレイ６に入射され液晶表示素子映像表示素子２Ｒを照射する代表光線を上から見た場合を示している。なお、偏向ビームスプリッター８、ミラー４、ミラー１９は省略しており、折れ曲がる光線も直線に進むよう図示している。図３に示したように、各光線Ａ、Ｂ、Ｃの前記ダイクロイックミラー１２への入射角はそれぞれ異なっている。このことは、前記ダイクロイックミラー１２を透過する赤色光についてのみならず、反射する緑色光、青色光についても同様のことがいえる。また、図示したように、コンデンサレンズ１０Ｒは、映像表示素子２Ｒに入射する光線の平行度をそろえるために用いられている。
【００１３】
一般的に、ダイクロイックミラーは入射した光線を特定の波長を境に反射光と透過光に分光するものであるが、この境目となる波長、すなわち分光波長は光線の入射角に応じて変化するものである。その結果、図３のような場合、各光線Ａ、Ｃで分光波長が異なり、映像表示素子上では左右の色の差となって現れ、これがスクリーン上へ投射されることで表示される映像の左右の色の差が生じてしまう。これを補うために、ダイクロイックミラーに分光波長を左右で変化をもたせるため、いわゆるウェッジコートが用いられていた。適切なウェッジコートの設定により、投射される映像の左右の色の差は低減されるが、弊害として画面全体で見た各色の色純度が低下したり、明るさの損失が大きくなっていた。
【００１４】
次に、主点の説明を図６、図７を用いて行う。図６に示したように光軸２４と平行な平行光線がレンズに入射した場合、レンズ（この場合は凸レンズ）を透過した後、光軸上の焦点２２に集束する。主点とは、レンズの光軸上にあり、焦点２２から焦点距離２３だけレンズ側に離れた点２１のことをいう。図７は、複数のレンズの全体の主点を示す図である。図６のレンズの場合と同様に考えられる。つまり、複数のレンズの全体の焦点距離は単レンズに置き換えて考えればよい。図７では、前記単レンズは点線で示してあり、前記単レンズに入射した場合の集束する光線も点線で示してある。図示してあるように、前記単レンズと複数のレンズは、光軸２４に平行な同一の平行光線を入射すると、同一の焦点２２に同一の角度で集束する。複数のレンズの全体の焦点距離と前記単レンズの焦点距離は一致し、図中２３の距離に相当する。その結果、複数のレンズの全体の主点も前記単レンズの主点と一致し、図７に示したように点２１に相当する。図７で示しているのは２枚のレンズを用いた場合であるが、３枚以上であっても同様に考えることができる。
【００１５】
ここで、本発明の第１の実施例を図１を用いて説明する。補正レンズ９の主点を第２レンズアレイ７と映像表示素子２Ｒの光学距離の中間点に配置している。光源１とリフレクタ５を有する光源系から出射された光は、第1レンズアレイ６に入射し、複数の光に分割された後、第２レンズアレイ７を透過し、照度分布が補正される。前記複数の光は、偏向ビームスプリッター８、ミラー4を介し、集光レンズ９を透過すると平行になる。前記平行になった複数の光は、ダイクロイックミラー１２を介する際、透過する赤色光と反射される緑色光、青色光に分光され、さらに、緑色光と青色光はダイクロイックミラー１３を介する際、分光される。その時、入射光が平行に入射するので前記ダイクロイックミラー１２、１３の左右で分光波長がほとんど変わらない。分光された赤色光、緑色光、青色光は、それぞれ映像表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを照射する。映像表示素子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは、映像信号に応じて画素毎に照射された光の濃淡を調節する。前記調節された光は、合成プリズム１１にて合成され、投射レンズ３を介してスクリーン１８に投射される。補正レンズ９の主点が第２レンズアレイ７と映像表示素子２Ｒの光学距離の中間点に配置されているので、前記ダイクロイックミラー１２、１３の左右で分光波長が同じである。そのため、従来の光学系では必須であった前記ダイクロイックミラー１２、１３のウェッジコートを用いる必要がなくなる。また、映像表示素子２Ｒ、２Ｇ直前に配置されるべきコンデンサレンズ１０Ｒ、１０Ｇも不要にしている。言い換えると、他の光より光路長が長い青色光の場合にのみ、映像表示素子の直前にレンズを配置している。なお、この実施例では、第１レンズアレイと第２レンズアレイが前記光源系から出射された光の照度分布を補正し、集光レンズ側へ出射する補正レンズとして用いている。
【００１６】
図４は、図１の実施例による映像表示装置における赤色光の映像表示素子２Ｒに到達する光線の一部を図３と同様に図示したものである。第1レンズアレイ６を透過する際に、光は複数の光に分割される。前記分割された光は、第２レンズアレイ７を透過した後、発散しながら、図示しない偏向ビームスプリッター８、ミラー４を介し、集光レンズ９に入射される。集光レンズ９に入射されることで光軸と平行になり、前記ダイクロイックミラー１２を介し、分光される。分光される際、光線Ａ、Ｂ、Ｃは前記ダイクロイックミラー１２に対して同じ角度で入射する。前述したようにダイクロイックミラーは入射角に応じて分光波長が変化するため、いずれの光線Ａ、Ｂ、Ｃも同じ波長で前記ダイクロイックミラー１２にて分光される。そのため、図３で示した状態、すなわち光線Ａ、Ｂ、Ｃで入射角が異なることから生じる投射される映像の左右の色の差を抑えることができる。その結果、映像の左右の色の差を補正するために従来必要であった前記ダイクロイックミラー１２のウェッジコートを不要にして、色純度や明るさ損失の低減を実現している。また、映像表示素子２Ｒへの入射角も、コンデンサレンズ１０Ｒを必要とすることなく十分な平行度を保っており、部品の削減を実現している。この効果は、図４には示していないが第２レンズアレイ７の中央を透過する光以外、つまり周辺部を透過する光についても、前記ダイクロイックミラー１２に平行で入射するために有効となる。また、緑色光や青色光についても、前記ダイクロイックミラー１２と同じように前記ダイクロイックミラー１３に対して入射角が等しいので、赤色光の場合と同様の効果が得られる。
【００１７】
図１０は、第２の実施例である。図１と同じ部分には同じ符号を付しているため説明を省略する。図１との相違点は、光源１をスクリーン側に配置していることである。投射型映像表示装置における光学系以外の機器、例えば、冷却器の配置や、投射型映像表示装置の構造等の都合により、光源１の配置が変化しても、集光レンズ９の主点を、第２レンズアレイ７と映像表示素子２Ｒの光学距離の中間点に配置する事が可能のため、前記同様の効果が得られる。
【００１８】
図１１は、第３の実施例である。図１との相違点は、集光レンズ９を複数の凹レンズと凸レンズで構成していることである。この実施例では、複数の集光レンズ９の全体の主点位置を、第２レンズアレイ７と映像表示素子２Ｒの光学距離の中間点に配置している。集光レンズ９が単レンズの図１、１０と比べると、集光レンズ９から映像表示素子２Ｒまでの光学距離を変更することなく第２レンズアレイ７から集光レンズ９までの光学距離を短くしても、ダイクロイックミラー１２へ入射される際には光線は平行になっている。その結果、光学距離の全長を低減しながら、前記同様の効果が得られ、さらなる映像表示装置の小型化に有効である。
【００１９】
図５は、図１１の映像表示装置における赤色光の映像表示素子２Ｒに到達する光線の一部を、図４と同様に図示したものである。第２レンズアレイ７を透過するまでとダイクロイックミラー１２に入射後は、図４の場合と同様の構成、配置である。光は、第２レンズアレイ７を透過後、発散しながら集光レンズ９の凹レンズに入射し、さらに発散し、凸レンズに入射する。凸レンズを透過すると、光軸と平行になり、前記ダイクロイックミラー１２に入射する。図４と比べると分かるように、複数の集光レンズ９の全体の主点が映像表示素子２Ｒ側に移動している。それに、複数の集光レンズ９の全体の主点位置を、第２レンズアレイ７と映像表示素子２Ｒの光学距離の中間点に配置しているため、第２レンズアレイ７と映像表示素子２Ｒの間の光学距離が短くなる。その結果、光学距離の全長を短くしながら、図４と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
図５、図１１では、凹レンズと凸レンズをそれぞれ１枚ずつ用いた例を示しているが、凹レンズと凸レンズを合わせて３枚以上であっても同様の効果を得ることができる。
【００２１】
上述の実施例では、赤色光を分光した後に緑色光と青色光を分光する場合を説明したが、青色光を分光した後に緑色光と赤色光を分光してもよい。例えば、図１においてダイクロイックミラー１２を介する際、青色光は透過され、緑色光と赤色光は反射される。反射された緑色光と赤色光はダイクロイックミラー１３を介する際、緑色光は反射され、赤色光は透過される。このような分光順序でも前述同様の効果が得られる。
【００２２】
また、前記第１、第２レンズアレイの代わりに、複数の内面反射を利用したオプティカルインテグレータであるロッドレンズを用いることも可能である。ロッドレンズは内面を１００％の反射率にして、光源系からの入射光を複数回、又は０回の内面反射により出射口に導き、出射口における光線密度の均一性を実現するものである。前記均一となった光を映像表示素子に導くことにより、映像表示素子を照射する光の強度分布をほとんど均一にすることができる。第１、第２レンズアレイに限るものではなく、このようなロッドレンズ等の前記光源系から出射された光の照度分布を補正し、集光レンズ側へ出射する補正レンズを用いた投射型映像表示装置においても、本発明を適用することができる。すなわち、前記補正レンズとダイクロイックミラーの間にある集光レンズ（複数の場合には複数の集光レンズの全体）の主点を、前記補正レンズの出射面と映像表示素子までの光学距離の中間点に配置すればよい。
【００２３】
上述の実施例において、本発明の効果を得るためには、前記補正レンズとダイクロイックミラーの間にある集光レンズ（複数の場合には複数の集光レンズの全体）の主点を、前記補正レンズの出射面と映像表示素子までの光学距離の中間点に配置すればよいとしている。しかし、実際、集光レンズの主点を前記光学距離の中間点からずれた場合、本発明の効果が得られるかどうか調べた結果を以下に説明する。
【００２４】
図８は、図４の投射型映像表示装置において、集光レンズ９の主点から映像表示素子２Ｒまでの光学距離を一定（Ｌ＝ 112 mm）にして、第２レンズアレイ７の出射面から集光レンズ９の主点までの光学距離と前記ダイクロイックミラー１２に入射する光線Ａ、Ｃの光軸に対する角度の関係を示したものである。縦軸は光線Ａ、Ｃの光軸に対する角度で、横軸は第２レンズアレイ７の出射面から集光レンズ９の主点間の光学距離Xである。前記距離Xが短いほど、前記角度の差が大きくなっていることがわかる。前記距離Xを長くしていくと、集光レンズ９の主点から映像表示素子２Ｒまでの距離と等しい位置（図中のＬの位置）で光線Ａと光線Ｃの前記角度の差が無くなる。前述したように、ダイクロイックミラーの分光波長の光の入射角依存性により生じる投射される映像の左右の色の差を抑えるためにウェッジコートが必要であった。図９は、前記距離Xを変化させた場合、投射される映像の左右の色の差を抑えるのに理論的に必要なウェッジコート量の変化を示したものである。縦軸は必要なウェッジコート量で、横軸は前記距離Xを示す。必要なウェッジコート量が大きいほど、画面全体で見た各色の色純度が低下したり、明るさの損失が大きくなるという弊害を生ずる。ウェッジコート量が0の時（X＝L）、前記弊害が生じず理想的である。しかし、少なくとも、理論的にウェッジコート量が1.5(nm/10mm)以下の時は、ウェッジコートを不要にしてもスクリーン上の前記弊害が目立たなかった。その時の前記距離Xは、89.6〜123.5(mm)であり、比率に変換すると、0.8≦ X/L ≦1.1である。この時には、ウェッジコートを用いずとも前記弊害が目立たず、十分な効果が得られることがわかった。また、映像表示装置の小型化という観点ではX/Lを0.8よりも小さくすることが有効である。その際も、ウェッジコートを用いることなく本発明を実施することにより、色純度低下や明るさ損失を減少することができ、ある程度まで小さくしても求められる仕様を満たすことができる場合がある。さらに、本発明を実施することにより、ダイクロイックミラーのウェッジコート量の減少が可能であることもいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の実施により、従来の投射型映像表示装置と比較して、色純度の低下や明るさ損失を減少させ、明るさおよび画質を改善することができる。
【００２６】
また、ダイクロイックミラーのウェッジコートとコンデンサレンズを実施しなくてもよいため、コスト削減、部品点数の低減、それに装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す投射型映像表示装置の構成図
【図２】従来の投射型映像表示装置の構成図
【図３】従来の光学系を示す図
【図４】本発明の実施形態の一例の光学系を示す図
【図５】本発明の実施形態の一例の光学系を示す図
【図６】レンズの主点を示す図
【図７】複数のレンズの全体の主点を示す図
【図８】第２レンズアレイと集光レンズ間距離と角度の関係を示す図
【図９】第２レンズアレイと集光レンズ間距離とウェッジ量の関係を示す図
【図１０】本発明の実施形態の一例を示す投射型映像表示装置の構成図
【図１１】本発明の実施形態の一例を示す投射型映像表示装置の構成図
【符号の説明】
１ 光源
２Ｒ 映像表示素子
２Ｇ 映像表示素子
２Ｂ 映像表示素子
３ 投射レンズ
４ ミラー
５ リフレクタ
６ 第１レンズアレイ
７ 第２レンズアレイ
８ 偏光ビームスプリッター
９ 集光レンズ
１０Ｒ コンデンサレンズ
１０Ｇ コンデンサレンズ
１１ 合成プリズム
１２ ダイクロイックミラー
１３ ダイクロイックミラー
１４ ミラー
１５ 第１リレーレンズ
１６ 第２リレーレンズ
１７ 第３リレーレンズ
１８ スクリーン
１９ ミラー
２０ ミラー
２１ 主点
２２ 焦点
２３ 焦点距離
２４ 光軸

Claims (2)

1. 光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光の照度分布を補正する補正レンズと、
   前記補正レンズを透過した光を発散させる凹レンズと前記凹レンズからの光を光軸と平行にする凸レンズからなる集光レンズと、
   前記集光された光から第一の色光を反射する第一のダイクロイックミラーと、
   前記第一のダイクロイックミラーを透過した光から第二の色光を反射し第三の色光を透過する第二のダイクロイックミラーと、
   前記第一の色光を変調する第一の映像表示素子と、
   前記第二の色光を変調する第二の映像表示素子と、
   前記第三の色光を変調する第三の映像表示素子と、
   前記第一、第二、第三の映像表示素子で変調された光を色合成手段と、
   前記色合成手段で合成された光を投射する投射手段を有し、
   前記集光レンズ全体の主点が前記補正レンズと前記第一の映像表示素子の光学距離の中間点に配置されることを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１記載の投射型映像表示装置において、
   前記集光レンズ全体の主点は前記補正レンズと前記第二の映像表示素子の光学距離の中間点に配置されることを特徴とする投射型映像表示装置。

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