JP4144624B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示パネルその他の表示装置を用いて画像を投射するプロジェクタに関する。

離散的な画素からなる表示素子を備えるプロジェクタにおいて、光学的に透明で強誘電液晶等からなるスイッチ型の位相変調光学素子と光学的に透明な複屈折媒体とからなるウォブリング素子を複数積層した構造の光学装置を組み込んだものが存在する（特開平７−３６０５４号公報参照）。

このようなプロジェクタでは、位相変調光学素子の動作を１フレーム中で切替えることにより、複屈折光学素子を通過する光の偏光方向を直交方向に交互に切替える。これにより、位相変調光学素子及び複屈折媒体を経て射出される光の光路が１フレーム中で切り替わって画素の隙間を埋めることができるので、離散的な画素からなる表示素子の画像を継目のない連続的な画面として投射することができる。

しかし、上記のプロジェクタでは、位相変調光学素子を１フレーム期間中に切替えて駆動するので、位相変調光学素子の安定した動作を確保することが容易でなく、位相変調光学素子やその駆動回路が高価なものになり、或いは得られる画像が不安定なものとなる傾向が生じやすい。

また、上記のプロジェクタでは、ある程度以上の透過率低下を避けることができず、透過率むらの発生も回避できないので、投射像の輝度低下や輝度むらが不可避的に発生する。

そこで、本発明は、継目の目立たない滑らかな画質の投射像を安定した状態で形成することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

また、本発明は、輝度低下や輝度むらの少ない投射像を形成することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクタは、表示装置からの像光を結像する投射光学系と、入射光束の中心軸に対して所定方向に基準方位を設定して配置される複屈折光分岐素子と、複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を、所定方向の成分と当該所定方向に対する直交方向の成分との配分に関して調節する偏光状態調節部材とを備える。なお、偏光状態調節部材は、一般に投射光学系の後方側（つまり、投射光学系の表示装置側、換言すれば表示装置から投射光学系に至るまでの像光の光路上）に配置される。ただし、投射光学系内や投射光学系からスクリーンに至る光路上に上述の偏光状態調節部材を配置することもできる。この場合、像光が平行光であることが画質等の観点からは望ましいしいが、平行光でない区間であっても、最終的に投影される像の状態を考慮した光学設計によって所期の結像特性等が得られる。

上記プロジェクタでは、偏光状態調節部材が複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を所定方向の成分と当該所定方向に対する直交方向の成分との配分に関して調節するので、複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を上記配分に応じて比較的正確に調節することができる。よって、複屈折光分岐素子による像光の分岐を所望の強度比（例えば１：１）に定常的に保持することができ、偏光状態調節部材の状態を像光の分岐のためにフレームごとにスイッチする必要がないので、像光の分岐状態を簡易な手法で安定して保持することができる。つまり、表示装置がブラックマトリックス等によって仕切られた離散的な画素を有する場合であっても、偏光状態調節部材や複屈折光分岐素子の特性設定によって画素の隙間を埋めるような画素ずらしを生じさせることができるだけでなく、継目が無い或いは目立たない連続的で滑らかな画像を安定した状態で投射することができるとともに、輝度低下や輝度むらの少ない投射像を形成することができる。

また、本発明の具体的な態様におけるプロジェクタでは、偏光状態調節部材が、波長板及び旋光素子の少なくとも１つを含む。この場合、複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を簡易に安定化させることができ、輝度低下や輝度むらの少ない安定した投射像を簡易に形成することができる。なお、「旋光素子」とは、ファラデー回転子等の光デバイスを含む概念である。

また、本発明の別の具体的な態様では、偏光状態調節部材が、波長板を有し、当該波長板の基準方位を中心軸のまわりに回転させることによって像光の偏光状態を調節する。この場合、波長板の回転位置の設定という簡易な操作によって、複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を所望の状態に調節することができる。

また、本発明の別の具体的な態様では、表示装置が、照明装置からの照明光によって照明される光変調装置であり、当該光変調装置が、像光の射出が周期的な部分領域で制限されるブラックマトリックス部分を有し、複屈折光分岐素子が、ブラックマトリックス部分の配置及び形状に対応した厚みを中心軸の方向に関して有する複屈折板である。この場合、非発光型の光変調装置によって形成される画像をスクリーン等に投射することができ、複屈折光分岐素子の屈折率特性や寸法等の設定によって、分岐された像光同士による補間が適正なものとなり光変調装置に設けたブラックマトリックス部分が目立たないものとなる。

また、本発明のさらに別の具体的な態様では、偏光状態調節部材が、複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を変更することによって、複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を変更可能である。この場合、複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を状況に応じて変更することができ、投射画像の解像度等を所望の状態に設定することができる。具体的には、例えばブラックマトリックス等に起因する画像のザラツキ感を任意の程度に増減させることができる。

また、本発明のさらに別の具体的な態様では、偏光状態調節部材を駆動することにより、複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を変更する制御手段をさらに備える。この場合、プロジェクタに入力される信号の種類（アナログ、デジタル等）、ユーザーによる画質調整などの任意の操作、表示装置から射出される光の特性（偏光、色等）などに応じて、投射像を適切な状態に自動的に設定することができる。

また、本発明のさらに別の具体的な態様では、上記複屈折光分岐素子の前方側において基準方位を所定方向に対して光軸まわりの直交方向に設定して配置される第２の複屈折光分岐素子と、当該第２の複屈折光分岐素子に入射する像光の偏光状態を所定方向の成分と直交方向の成分との配分に関して調節する第２の偏光状態調節部材とをさらに備える。ここで、複屈折光分岐素子の前方側とは、複屈折光分岐素子の投射光学系側、換言すれば複屈折光分岐素子から投射光学系に至るまでの像光の光路上を意味する。この場合、前者の複屈折光分岐素子（すなわち第１の複屈折光分岐素子）によって所定方向へ任意の投射位置ズレを生じさせることができ、その直交方向にも第２の複屈折光分岐素子によって任意の投射位置ズレを生じさせることができるので、２次元的な画素ずらしによってブラックマトリックス等に起因する画像のザラツキがどの方向にも存在しない状態の一様に滑らかな画像を達成することができる。

また、本発明のさらに別の具体的な態様では、表示装置が、各色ごとに設けられて個別に照明される複数の光変調装置を含み、当該複数の光変調装置によって変調された光を合成して射出させる光合成部材をさらに備える。この場合、各色ごとに設けた光変調装置が離散的な画素を有する場合であっても、偏光状態調節部材や複屈折光分岐素子を適宜動作させて画素の隙間を埋めることにより、画素の継目が無い或いは目立たない連続的なカラー画像を安定した状態で投射することができる。

また、本発明のさらに別の具体的な態様では、偏光状態調節部材及び複屈折光分岐素子は、光合成部材の前方側において、光路に沿って順次配置される。ここで、光合成部材の前方側とは、光合成部材の投射光学系側、換言すれば光合成部材から投射光学系に至るまでの像光の光路上を意味する。この場合、偏光状態調節部材及び複屈折光分岐素子をそれぞれ１つ設けるだけで、画素の継目が無い或いは目立たない連続的なカラー画像を安定した状態で投射することができる。

また、本発明のさらに別の具体的な態様では、偏光状態調節部材及び複屈折光分岐素子は、複数の光変調装置のそれぞれの前方側であって光合成部材の後方側において、各色ごとの光路に沿ってそれぞれ順次配置される。ここで、光変調装置の前方側とは、光変調装置の光合成部材側を意味し、光合成部材の後方側とは、光合成部材の光変調装置側を意味しており、結果的に、偏光状態調節部材等は、光変調装置から光合成部材に至る像光の光路上に配置される。この場合、各色ごと個別に画素の継目を消す程度を調節することができ、プロジェクタによるカラー画像の表現を多様化することができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの構造について図面を参照しつつ説明する。
図１は、第１実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。このプロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光をＲＧＢの３色に分割する光分割光学系２３と、光分割光学系２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成する光合成光学系２７と、光合成光学系２７で合成された像光に対して一種の光学的ローパスフィルタ処理を行うＢＭ除去ユニット２８と、ＢＭ除去ユニット２８を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。さらに、プロジェクタ１０は、光変調部２５に組み込まれている各色の表示装置（後に詳述）に対して駆動信号を発生する画像処理部４０と、上述の光源装置２１、ＢＭ除去ユニット２８、画像処理部４０等を適宜動作させることにより装置全体を統括的に制御する制御装置５０とを備える。

光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、一対のフライアイ光学系２１ｂ，２１ｃと、偏光変換部材２１ｄと、重畳レンズ２１ｅとを備える。ここで、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光をコリメートするための凹面鏡を備える。また、一対のフライアイ光学系２１ｂ，２１ｃは、マトリックス状に配置された複数の要素レンズからなり、これらの要素レンズによって光源ランプ２１ａからの光源光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材２１ｄは、フライアイ２１ｃから射出した光源光を図１の紙面に平行なＰ偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ２１ｅは、偏光変換部材２１ｄを経た照明光を全体として適宜収束させて、各色の表示装置の重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイ光学系２１ｂ，２１ｃと重畳レンズ２１ｅとを経た照明光は、以下に詳述する光分割光学系２３を経て、光変調部２５に設けられた各色の表示装置すなわち各色の液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを均一に重畳照明する。

光分割光学系２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂと、３つのフィールドレンズ２３ｆ〜２３ｈと、反射ミラー２３ｉ，２３ｊ，２３ｋとを備え、光源装置２１とともに照明装置を構成する。第１ダイクロイックミラー２３ａは、ＲＧＢの３色のうちＲ光を反射しＧ光及びＢ光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、ＧＢの２色のうちＧ光を反射しＢ光を透過させる。この光分割光学系２３において、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、反射ミラー２３ｉを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｆに入射し、第１ダイクロイックミラー２３ａを通過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光も、同様のフィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過したＢ光は、光路差を補償するためのリレーレンズＬＬ１，ＬＬ２及び反射ミラー２３ｊ，２３ｋを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｈに入射する。

光変調部２５は、それぞれが変調ユニット或いは光変調装置である３つの液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃと、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ〜２５ｇとを備える。第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、フィールドレンズ２３ｆを介して板状の液晶ライトバルブ２５ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを透過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、フィールドレンズ２３ｇを介して板状の液晶ライトバルブ２５ｂに入射する。第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂの双方を透過したＢ光は、フィールドレンズ２３ｈを介して板状の液晶ライトバルブ２５ｃに入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を偏光方向の回転によって変調する光変調型の表示装置であり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光（図示の場合、Ｐ偏光）は、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ〜２５ｇによって、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が精密に調整されるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向（図示の場合、Ｓ偏光）の変調光が取り出される。

図２Ａは、主に液晶ライトバルブ２５ａの構成を示す概略断面図であり、図２Ｂは、液晶ライトバルブ２５ａの一部等の構成を示す概略斜視図である。液晶ライトバルブ２５ａは、液晶層８１を挟んで、透明な射出側基板８２と、透明な入射側基板８３とを備え、さらに、それらの外側に、光学接着剤によって貼りつけられた射出側カバー８４と、入射側カバー８５とを備える。入射側基板８３の液晶層８１側の面上には、透明な共通電極８６が設けられている。一方、射出側基板８２の液晶層８１側の面上には、薄膜トランジスタ８７と透明な画素電極８８とが設けられている。薄膜トランジスタ８７は、マトリクス状に配置された複数の画素電極８８の周辺に設けられ、画素電極８８と電気的に接続されている。各画素は、１つの画素電極８８と、共通電極８６と、これらの間に挟まれた液晶層８１とで構成される。入射側基板８３と共通電極８６との間には、各画素を区分するように格子状のブラックマトリックス（遮光部）８９が設けられている。このブラックマトリックス８９は、薄膜トランジスタや配線への光の入射を遮断する機能を有しているが、結果的に画素間に延在する格子状の暗部を形成し画像のザラツキの原因となる。対処法については後述する。射出側基板８２及び入射側基板８３は、さらに、液晶層８１を構成する液晶分子を配列させるための配向膜（図示せず）を備えている。以上のような構造を有する液晶ライトバルブ２５ａは、アクティブマトリクス型の液晶装置と呼ばれる。なお、本実施形態の液晶ライトバルブ２５ａは、ＴＮモードの液晶装置であり、射出側基板８２側の液晶分子の配列方向と入射側基板８３側の液晶分子の配列方向とが約９０度の角度を成すように、配向膜が形成されている。

入射側カバー８５、射出側カバー８４は、液晶ライトバルブ２５ａの表面の位置を、図１に示した投射レンズ２９のバックフォーカス位置からずらすことによって、液晶ライトバルブ２５ａの表面に付着したゴミを投射画面上で目立ちにくくするために設けられるものである。本実施形態では、入射側基板８３と射出側基板８２にそれぞれカバー８５，８４を貼り付けているが、その代わりに、基板８３，８２自体の厚みを大きくすることによって、基板８３，８２自体にこのような機能を持たせることも可能である。また、これらのカバー８５，８４は、変調の機能に影響を及ぼすものではないため、省略しても良いし、いずれか一方のみを設けるようにしても良い。

なお、入射側基板８３と、入射側カバー８５との間には、例えばマイクロレンズアレイを配置することができる。このようなマイクロレンズアレイは、各画素にそれぞれ光を集光する複数のマイクロレンズを有するものであり、光の利用効率を向上させることができる。

また、図２Ａ，２Ｂにおいて、ブラックマトリックス８９の配置は模式的なものであり、実際には、ブラックマトリックス８９は、射出側基板８２と入射側基板８３とのいずれか一方に遮光膜として形成される場合と、両基板８２，８３のそれぞれに設けられた遮光膜を組み合わせて形成される場合とがある。

以上は、Ｒ光用の液晶ライトバルブ２５ａの構造についての説明であったが、他の色の液晶ライトバルブ２５ｂ，２５ｃも同様の構造を有しており、これらについては説明を省略する。

図１に戻って、クロスダイクロイックプリズム２７は、光合成部材であり、Ｒ光反射用の誘電体多層膜２７ａとＢ光反射用の誘電体多層膜２７ｂとを直交させた状態で内蔵するものであり、液晶ライトバルブ２５ａからのＲ光を誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶ライトバルブ２５ｂからのＧ光を誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを介して直進・射出させ、液晶ライトバルブ２５ｃからのＢ光を誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。このようにして、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された合成光は、ＢＭ除去ユニット２８を介して投射レンズ２９に入射する。

ＢＭ除去ユニット２８は、それぞれが一種の光学的ローパスフィルタ処理を像光に対して実行可能な第１及び第２ユニット２８ａ，２８ｂと、各ユニット２８ａ，２８ｂ中の部材や両ユニット２８ａ，２８ｂ全体を光軸の回りに適宜回転させて両ユニット２８ａ，２８ｂを適切に動作させるためのアクチュエータ２８ｄ〜２８ｆとを備える。ここで、第１ユニット２８ａは、像光の偏光方向を所望量回転させるためのλ／２位相差板２８ｈと複屈折作用によって像光の光路を分岐する複屈折板２８ｉとを備える。同様に、第２ユニット２８ｂも、像光の偏光方向を所望量回転させるためのλ／２位相差板２８ｊと複屈折作用によって像光の光路を分岐する複屈折板２８ｋとを備える。ここで、各λ／２位相差板２８ｈ，２８ｊは、それ自身の回転位置の設定によって像光の偏光状態すなわち偏光面の方向を調節するための偏光状態調節部材として機能し、各複屈折板２８ｉ，２８ｋは、像光の偏光状態に応じて像光を対応方向に分岐して画素の隙間を埋めるような画素ずらしを生じさせるための複屈折光分岐素子として機能する。これら複屈折板２８ｉ，２８ｋは、例えば水晶、ニオブ酸リチウム、方解石、サファイア等の材料を加工することによって作製され、入射光のうち常光成分と異常光成分との間に光路シフトすなわち光路分岐を生じさせる。また、アクチュエータ２８ｄ〜２８ｆは、制御装置５０とともにＢＭ除去ユニット２８において画素ずらしのために分岐される像光の強度比を目標値に変更するための制御手段として機能する。

図３Ａ〜３Ｄは、λ／２位相差板２８ｈ，２８ｊ及び複屈折板２８ｉ，２８ｋの配置を説明する図である。図３Ａ〜図３Ｄにおいて紙面に垂直なＺ方向が図１のプロジェクタ１０の光軸方向（つまり、像光である入射光束の中心軸の方向）になっており、Ｘ方向が投射画面の横方向に相当し、Ｙ方向が投射画面の縦方向に相当する。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、それぞれ互いに垂直である。このうち、図３Ａはλ／２位相差板２８ｈの基準方位ＳＤ１であって光学軸に対応するものを示しており、図３Ｂは複屈折板２８ｉの基準方位ＳＤ２であって光学軸が紙面に垂直な光軸に対して傾いている方位に相当するものを示しており、図３Ｃはλ／２位相差板２８ｊの基準方位ＳＤ３であって光学軸に対応するものを示しており、図３Ｄは複屈折板２８ｋの基準方位ＳＤ４であって光学軸が光軸に対して傾いている方位に相当するものを示している。図からも明らかなように、両λ／２位相差板２８ｈ，２８ｊの基準方位ＳＤ１，ＳＤ３は、水平な０°の方向に対して２２．５°の角度を成しており、クロスダイクロイックプリズム２７から射出されるＳ偏光等を４５°回転させて４５°傾斜状態の偏光とすることができる。また、両複屈折板２８ｉ，２８ｋの基準方位ＳＤ２，ＳＤ４は、水平な０°の方向に対して９０°及び０°の角度をそれぞれ成しており、光軸に沿って直進する常光に対して各方位に異常光を分岐することができる。

図４Ａ，４Ｂは、ＢＭ除去ユニット２８の作用を概念的に説明する図である。図４Ａは、ＢＭ除去ユニット２８内の部材の配置関係を示し、図４ＢはＢＭ除去ユニット２８内の各位置における画像処理を説明する図である。クロスダイクロイックプリズム２７から射出される像光は、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃ（図１参照）からのＲＧＢ光を合成したものであり、そのまま投射すると、複数の２次元的に配列された画素ＰＸ０と各画素ＰＸ０の間に格子状に形成されたブラックマトリックス領域ＢＡとからなる画像ＩＭ１が投射レンズ２９の前方側に配置されたスクリーン上に形成される。また、第１ユニット２８ａを通過した像光は、λ／２位相差板２８ｈによって偏光方向が光軸ＯＡのまわりに適宜回転し複屈折板２８ｉによって像光の一部が上側のＹ方向に分岐したものであり、これをそのまま投射すると、複数の２次元的に配列された画素ＰＸ０とその分岐像に対応する画素ＰＸ１とブラックマトリックス領域ＢＡとからなる画像ＩＭ２がスクリーン上に形成される。なお、分岐像によって形成される画素ＰＸ１は、常光に対応する画素Ｘ０の分岐像をＹ方向に適宜移動した画素ずらし像であり（図示の例では、分岐像のシフト量をブラックマトリックス領域ＢＡの幅程度としているが、これに限らず、ブラックマトリックス領域ＢＡの幅以下或いはその幅以上とすることができる。）、このような重ね合わせの結果として、ブラックマトリックス領域ＢＡの格子のうちＹ方向に関する幅が細くなる。さらに、第２ユニット２８ｂを通過した像光は、λ／２位相差板２８ｊによって偏光方向が光軸ＯＡのまわりに適宜回転し複屈折板２８ｋによって像光の一部が横側のＸ方向に分岐したものであり、前段までの画素ＰＸ０，ＰＸ１とそれらの分岐像に対応する画素ＰＸ３，ＰＸ４と細く目立たないブラックマトリックス領域ＢＡとからなる画像ＩＭ３がスクリーン上に形成される。なお、第２ユニット２８ｂを経て形成される画素ＰＸ３，ＰＸ４は、画素ＰＸ０，ＰＸ１の分岐像をＸ方向に第１ユニット２８ａの場合と同程度移動した画素ずらし像であり、このような分岐光の重ね合わせの結果として、ブラックマトリックス領域ＢＡの格子線のうちＸ方向の幅が細くなる。つまり、当初の画素ＰＸ０の直交する２方向に関する分岐によってブラックマトリックス領域ＢＡがほぼ埋め合わされ、投射レンズ２９によって最終的にスクリーン上に投射される画像から格子状のブラックマトリクスがほぼ消滅し、画像のザラツキ感を除去することができる。

図５Ａ〜５Ｃは、ＢＭ除去ユニット２８のうち前段の第１ユニット２８ａの機能を具体的に説明する図である。図５Ａに示すように、ＢＭ除去ユニット２８に入射する前の像光は、Ｓ偏光状態のＲ光、Ｇ光、及びＢ光からなる。図５Ｂに示すように、最初のλ／２位相差板２８ｈに入射することによってＲ光、Ｇ光、及びＢ光の各色ともに偏光面が４５°回転する。さらに図５Ｃに示すように、次の複屈折板２８ｉに入射することによってＲ光、Ｇ光、及びＢ光の各色は常光ＯＬと異常光ＥＬとに空間的に適宜分岐されるので、当初の画素ＰＸ０とこれに対してシフト量ＳＨだけ移動させた分岐像の画素ＰＸ１とをスクリーン上に投射することができるようになる。以上において、ＲＧＢの各色光の偏光面をλ／２位相差板２８ｈによって４５°回転しているので、常光と異常光との強度比すなわち０次の画素ＰＸ０と分岐された１次の画素ＰＸ１との各明るさの強度比をほぼ１：１に設定することができる。よって、このように分岐画素ＰＸ０，ＰＸ１の強度比を調節することと、複屈折板２８ｉの光路長を所望の値に設定して画素ＰＸ０に対する画素ＰＸ１のシフト量ＳＨを調節することとを併せることで、ブラックマトリックス領域ＢＡを効率的に補間して確実に目立たないものとすることができる。

図６は、λ／２位相差板２８ｈの機能を具体的に説明する図である。λ／２位相差板２８ｈの光学軸をＳ偏光の方向に対して傾斜角θ＝２２．５°傾けた場合、Ｓ偏光の偏光面が２θ＝４５°回転して結果的にＳＰの両偏光成分が得られる。なお、λ／２位相差板２８ｈを傾斜角θ＝１１２．５°傾けた場合も、Ｓ偏光を４５°回転させることができ、Ｓ偏光からＰ偏光の成分を生成することができる。

図１に戻って、画像処理部４０は、光変調部２５に設けた各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに対して駆動信号を出力する。画像処理部４０には、パーソナルコンピュータからのデジタル画像信号とビデオ再生装置等からのビデオ画像信号とが切替え装置６１を介して選択的に入力される。画像処理部４０では、画像信号の内容を判断して各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに出力する駆動信号を生成するが、この際、画像信号の内容すなわち画像信号がデジタル画像信号であるかビデオ画像信号であるかに応じてアクチュエータ２８ｄ，２８ｅを適宜動作させることによってブラックマトリックス領域ＢＡの消去の有無や消去の程度を適宜調節することができる。例えば、デジタル画像信号が入力されている場合には、ＢＭ除去ユニット２８の設定によってブラックマトリックス領域ＢＡを残してクッキリとした高解像感のある画像を投射する。一方、ビデオ画像信号が入力されている場合には、ＢＭ除去ユニット２８の設定によってブラックマトリックス領域ＢＡを消して高解像度を維持しつつ滑らかな画像を投射する。また、ブラックマトリックス領域ＢＡを消す場合においては、画像信号の種類や画像の種類（例えば白が支配的な画像であるか否かや、スライド的な画像であるか否か等）に応じてその消去の度合いを調整することができる。具体的には、λ／２位相差板２８ｈの光学軸の位置すなわち入射光束の偏光方向に対する光学軸の角度を例えば０°から２２．５°の範囲で適宜変えることにより、像光の偏光面を０°〜４５°の範囲で任意に設定することができ、常光と異常光との強度比すなわち０次の画素ＰＸ０と１次の画素ＰＸ１との強度比を０〜０．５の範囲で任意に設定することができる。さらに同様にして、両画素ＰＸ０，ＰＸ１に対する２次の画素ＰＸ３，ＰＸ４の強度比も０〜０．５の範囲で任意に設定することができる。つまり、元のディスクリートな画素群からなる画像を任意の強度比に分岐して画素ピッチ以下の距離で相互にシフトさせることで、元の画像に存在したブラックマトリックスを所望の程度に消滅させるような補間が可能になる。なお、以上の例では、画像信号の内容に応じて常光と異常光との強度比すなわち当初画像と分岐補間画像との強度比を設定しているが、プロジェクタ１０の周囲に設けられた操作パネル６２を利用して当初画像と分岐補間画像との強度比を設定することもできる。この場合、ユーザが自らの意思で、１）ブラックマトリックス領域ＢＡが残るがクッキリとした高解像感のある画像と、２）ブラックマトリックス領域ＢＡを消しつつも高解像度を維持しつつ滑らかな画像とを選択していずれか一方、或いはその中間画像をスクリーン上に投射させることができる。

以下、第１実施形態に係るプロジェクタ１０の動作について説明する。光源装置２１からの光源光は、光分割光学系２３に設けた第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂによって色分割され、対応する液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに照明光としてそれぞれ入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、外部からの画像信号によって変調されて２次元的屈折率分布を有しており、照明光を２次元空間的に画素単位で変調する。このように、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃで変調された照明光すなわち像光は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された後ＢＭ除去ユニット２８を経て投射レンズ２９に入射する。投射レンズ２９に入射した像光は、不図示のスクリーンに投影される。この場合、光合成光学系２７と投射レンズ２９との間にＢＭ除去ユニット２８を設けているので、図１の紙面に垂直な縦方向と紙面に水平な横方向とに関して投射像からブラックマトリックスを消すことができ、必要に応じてブラックマトリックスの消去の程度を調節することができる。つまり、λ／２位相差板２８ｈ，２８ｊの回転位置や複屈折板２８ｉ，２８ｋの特性設定によって当初の画素ＰＸ０の隙間を埋めるような画素ずらしを生じさせることができる。これにより、継目が無い或いは目立たない連続的で滑らかな画像を安定した状態で投射することができるとともに、投射に際しての輝度低下や輝度むらの発生を抑えることができる。

図７Ａ〜７Ｃは、図４Ａ，４Ｂ等に示す動作の変形例を示す図である。この場合、画像信号の内容等の状況に応じてアクチュエータ２８ｆ（図１参照）等を動作させることにより、ブラックマトリックス領域ＢＡの消去の方向を適宜変更することができる。具体的には、アクチュエータ２８ｆを動作させて第１及び第２ユニット２８ａ，２８ｂを含むＢＭ除去ユニット２８を全体として光軸のまわりに４５°回転させる。これにより、画素ずらしに際しての画像の分岐方向がＸ方向やＹ方向でなく４５°傾いた方向となる。この場合において、アクチュエータ２８ｄ，２８ｅを適宜動作させることによって両λ／２位相差板２８ｈ，２８ｊの回転位置を調節することができ、両複屈折板２８ｉ，２８ｋによる画像の分岐強度比を所望の値とすることができる。

図７Ａに示すように、クロスダイクロイックプリズム２７から射出される像光に対応する画像ＩＭ１は、複数の２次元的に配列された画素ＰＸ０と各画素ＰＸ０の間に配置されたブラックマトリックス領域ＢＡとからなる。図７Ｂに示すように、第１ユニット２８ａを通過した像光に対応する画像ＩＭ２は、複数の２次元的に配列された画素ＰＸ０とその斜め方向の分岐像に対応する画素ＰＸ１とブラックマトリックス領域ＢＡとからなる。図７Ｃに示すように、第２ユニット２８ｂを通過した像光に対応する画像ＩＭ３は、前段までの画素ＰＸ０，ＰＸ１とそれらの斜め方向の分岐像に対応する一対の画素ＰＸ３，ＰＸ４とブラックマトリックス領域ＢＡとからなる。

〔第２実施形態〕
図８は、第２実施形態のプロジェクタを説明する図である。第２実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタを変形したものであり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。また、特に説明しない箇所については、第１実施形態と同様に構成可能となっている。

この場合、ＲＢ光用の液晶ライトバルブ２５ａ，２５ｃから射出される像光を両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂに垂直な入射面に対して垂直方向に振動するＳ偏光とするが、Ｇ光用の液晶ライトバルブ２５ｂから射出される像光を上記入射面内で振動するＰ偏光とする。このため、光源装置２１から取り出す光源光を紙面に垂直なＳ偏光とするとともに、フィールドレンズ２３ｆと液晶ライトバルブ２５ａとの間にＲ光用のλ／２位相差板２３ｄを配置し、フィールドレンズ２３ｈと液晶ライトバルブ２５ｃとの間にＢ光用のλ／２位相差板２３ｄを配置している。これにより、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＳ偏光のＲ光は、反射ミラー２３ｉ及びフィールドレンズ２３ｆを経てλ／２位相差板２３ｄによってＰ偏光に変換され、液晶ライトバルブ２５ａを経てＳ偏光成分のみが変調光として取り出される。また、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂを通過したＳ偏光のＢ光は、リレーレンズＬＬ１，ＬＬ２、反射ミラー２３ｊ，２３ｋ及びフィールドレンズ２３ｈを経てλ／２位相差板２３ｄによってＰ偏光に変換され、液晶ライトバルブ２５ｃを経てＳ偏光成分のみが変調光として取り出される。なお、第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＳ偏光のＧ光は、そのままフィールドレンズ２３ｇ及び液晶ライトバルブ２５ｂを経てＰ偏光成分のみが変調光として取り出される。

以上の構成とすることにより、ＲＢ光用の液晶ライトバルブ２５ａ，２５ｃからのＳ偏光を両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂで反射させ、Ｇ光用の液晶ライトバルブ２５ｂからのＰ偏光を両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを透過させることになる。これにより、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂの透過特性におけるエッジ波長がＳ偏光とＰ偏光とで異なる場合であっても、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂによるＲ光及びＢ光の反射効率を高めつつ、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂによるＧ光の透過効率を高めることができる。

ただしこの場合、クロスダイクロイックプリズム２７を経てＢＭ除去ユニット２８に入射するＲＢ光がＳ偏光となり、同ＢＭ除去ユニット２８に入射するＧ光がＰ偏光となり、偏光方向が異なってしまう。このため、除去ユニット２８に設けた一対のλ／２位相差板２８ｈ，２８ｊの結晶軸方位を適宜設定することによってＲＧＢの各色の偏光面を４５°回転させ、一対の複屈折板２８ｉ，２８ｋにてそれぞれ分岐される常光と異常光との強度比をほぼ１：１に設定して固定する。

図９Ａ〜９Ｄは、ＢＭ除去ユニット２８のうち前段の第１ユニット２８ａの役割を具体的に説明する図である。図９Ａに示すように、ＢＭ除去ユニット２８に入射する前の像光は、Ｓ偏光のＲ光及びＢ光からなるとともにＰ偏光のＧ光からなる。図９Ｂに示すように、最初のλ／２位相差板２８ｈに入射することによってＲＢ光及びＧ光ともに偏光面が４５°回転する。図９Ｃに示すように、次の複屈折板２８ｉに入射することによってＲ光及びＢ光は常光Ｒｏと異常光Ｒｅとに等しい割合で空間的に適宜分岐されるので、当初の画素ＰＸ０とこれに対してシフト量ＳＨだけ移動させた分岐像の画素ＰＸ１とをスクリーン上に等しい強度で投射することができるようになる。一方、図９Ｄに示すように、複屈折板２８ｉに入射することによってＧ光も常光Ｇｏと異常光Ｇｅとに等しい割合で空間的に適宜分岐されるので、当初の画素ＰＸ０とこれに対してシフト量ＳＨだけ移動させた分岐像の画素ＰＸ１とをスクリーン上に等しい強度で投射することができるようになる。つまり、Ｇ光がＲ光及びＢ光に対して異なる偏光面を有しているにも拘わらず、常光と異常光との強度比すなわち０次の画素ＰＸ０と分岐された１次の画素ＰＸ１との各明るさの強度比をほぼ１：１に設定することができ、各色について同様の画素ずらし像を得ることができる。

図１０Ａ，１０Ｂは、本実施形態におけるλ／２位相差板２８ｈの機能を具体的に説明する図である。図１０Ａに示すように、Ｓ偏光であるＲＢ光が傾斜角θ＝２２．５°に設定されたλ／２位相差板２８ｈに入射した場合、ＲＢ光の偏光面が２θ＝４５°回転してＳＰの両偏光成分が均等に得られる。また、図１０Ｂに示すように、Ｐ偏光であるＧ光がＰ偏光の方向に対して傾斜角θ＝６７．５°に設定されたλ／２位相差板２８ｈに入射した場合、Ｇ光の偏光面が２θ＝２２５°或いは４５°回転してＳＰの両偏光成分が均等に得られる。

〔第３実施形態〕
図１１は、第３実施形態のプロジェクタを説明する図である。第３実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタを変形したものであり、特に説明しない箇所については、第１実施形態と同様に構成可能となっている。

このプロジェクタ１１０は、クロスダイクロイックプリズム２７の前段にＲＧＢの各色ごとにＢＭ除去ユニット２８を備える。このような構成とすることにより、ＲＧＢの各色ごと独立してブラックマトリックス領域ＢＡの消去が可能になる。つまり、ＲＧＢの各色ごとに分岐光の比率を調節することができ、ＲＧＢの各色ごとに分岐光のシフト量を調整できるので、色特性を考慮した多様な表現も可能なる。なお、図面では省略しているが、各ＢＭ除去ユニット２８ごとに、複屈折板２８ｉ，２８ｋやλ／２位相差板２８ｈ，２８ｊ等を駆動するためのアクチュエータ２８ｄ〜２８ｆ（図１参照）が設けられている。また、光源装置２１から取り出す光源光を紙面に垂直なＳ偏光とするとともに、フィールドレンズ２３ｆと液晶ライトバルブ２５ａとの間にＲ光用のλ／２位相差板２３ｄを配置し、フィールドレンズ２３ｈと液晶ライトバルブ２５ｃとの間にＢ光用のλ／２位相差板２３ｄを配置している。これにより、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂの透過特性におけるエッジ波長がＳ偏光とＰ偏光とで異なる場合であっても、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂによるＲ光及びＢ光の反射効率を高めつつ、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂによるＧ光の透過効率を高めることができる。

なお、クロスダイクロイックプリズム２７の前段の３箇所にＢＭ除去ユニット２８をそれぞれ設けた場合、仮に各ＢＭ除去ユニット２８において分岐強度比１：１でＰ偏光及びＳ偏光に分岐したとしても、クロスダイクロイックプリズム２７に設けた両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂの透過反射特性の偏光依存性に起因して投射画像において元画像と画素ずらし像との強度比が１：１とならない場合も生じる。この場合、３つのＢＭ除去ユニット２８にそれぞれ設けた一対のλ／２位相差板２８ｈ，２８ｊの角度を各色ごとに微調整して、最終的に投影される画像の画素分離を各色のバランスをとりつつ修正して所望の状態に制御することができる。

以上は元画像と画素ずらし像との強度比が１：１の場合の説明であったが、元画像と画素ずらし像との強度比が１：１とは異なる比率に調整された場合も同様の事情が成り立つ。このように元画像と画素ずらし像との強度比を変化させた場合のλ／２位相差板２８ｈ，２８ｊの角度調整量の変化は、例えば制御装置５０（図１参照）にテーブルとして記憶させておくことができ、アクチュエータ２８ｄ〜２８ｆ（同図１参照）の駆動に際して参照される。

なお、この発明は、上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記第１〜第３実施形態では、ＢＭ除去ユニット２８を第１及び第２ユニット２８ａ，２８ｂで構成して、直交する方向に一種の光学的ローパスフィルタ処理を行わせることにより、ブラックマトリックスを２方向に関して除去しているが、第１ユニット２８ａ或いは第２ユニット２８ｂのみからなるＢＭ除去ユニットによってブラックマトリックスを除去することもできる。この場合、例えば縦方向或いは横方向のみに関してブラックマトリックスが除去される。

ＢＭ除去ユニット２８を構成する第１及び第２ユニット２８ａ，２８ｂの順序を入れ替えることもでき、最初に横方向に関してブラックマトリックスを除去する光分岐を行って、後に縦方向に関してブラックマトリックスを除去する光分岐を行うことができる。

上記実施形態では、除去ユニット２８に偏光状態調節部材としてλ／２位相差板２８ｈ，２８ｊを組み込んでいるが、λ／２位相差板２８ｈ，２８ｊに代えてλ／４位相差板等を用いることができる。この場合も、λ／４位相差板等の基準方位をプロジェクタの光軸まわりに回転させることで、光分岐の比率を調節することができる。偏光状態調節部材としては、位相差板に代えてファラデー回転子を用いることもできる。

上記実施形態では、光源ランプ２１ａの光を複数の部分光束に分割するため２つのフライアイ光学系２１ｂ，２１ｃを用いていたが、この発明は、このようなフライアイ光学系すなわちレンズアレイを用いないプロジェクタにも適用可能である。

上記実施形態では、液晶ライトバルブを３つ用いたプロジェクタの例について説明したが、本発明は、液晶ライトバルブのような光変調装置を１つ、２つ、あるいは４つ以上用いたプロジェクタにも適用することができる。例えば、単一の液晶ライトバルブ等であって各画素にＲＧＢのフィルタを配列したタイプのカラー表示パネルを白色光源で照明する場合にも、図４Ａ等に示すＢＭ除去ユニット２８を用いて同様の画素ずらし（すなわちブラックマトリックスの消去処理）が可能である。

上記実施形態では、透過型のプロジェクタに本発明を適用した場合の例について説明したが本発明は、反射型プロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶ライトバルブ等のライトバルブが光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、ライトバルブが光を反射するタイプであることを意味している。反射型プロジェクタの場合、ライトバルブは液晶パネルのみによって構成することが可能であり、一対の偏光板は不要である。また、反射型プロジェクタでは、クロスダイクロイツクプリズムは、白色光を赤、緑、青の３色の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、変調された３色の光を再度合成して同一の方向に出射する色光合成手段としても利用される場合がある。また、クロスダイクロイックプリズムではなく、三角柱や四角柱状のダイクロイツクプリズムを複数組み合わせたダイクロイックプリズムを用いる場合もある。反射型のプロジェクタにこの発明を適用した場合にも、透過型のプロジェクタとほぼ同様な効果を得ることができる。なお、光変調装置は液晶ライトバルブに限られず、例えばマイクロミラーを用いた光変調装置であっても良い。

プロジェクタとしては、投写面を観察する方向から画像投写を行う前面プロジェクタと、投写面を観察する方向とは反対側から画像投写を行う背面プロジェクタとがあるが、上記実施例の構成は、いずれにも適用可能である。

本発明において、光変調装置のブラックマトリックスは、像光の射出を周期的な部分領域で制限するようなものであれば良く、実施形態で説明したような遮光膜によって形成されたものには限られない。例えば、マイクロミラーを用いた光変調装置のように、遮光膜などによって積極的に像光の射出を制限していなくても、投射画像の画素間に継ぎ目が生じるような光変調装置は、ブラックマトリックスを有する光変調装置に該当する。

図１は、第１実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。
図２Ａは、液晶ライトバルブの構成を示す断面図であり、図２Ｂは、液晶ライトバルブの一部等の構成を示す斜視図である。
図３Ａ〜３Ｄは、装置要部を構成する光学素子の配置を説明する図である。
図４Ａ，４Ｂは、ＢＭ除去ユニットの作用を概念的に説明する図である。
図５Ａ〜５Ｃは、第１ユニットの機能を具体的に説明する図である。
図６は、λ／２位相差板の機能を具体的に説明する図である。
図７Ａ〜図７Ｃは、図４Ａ，４Ｂ等に示す動作の変形例を示す図である。
図８は、第２実施形態のプロジェクタを説明する図である。
図９Ａ〜９Ｄは、第１ユニットの機能を具体的に説明する図である。
図１０Ａ，図１０Ｂは、λ／２位相差板の機能を具体的に説明する図である。
図１１は、第３実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。

Claims (9)

1. 表示装置からの像光を結像する投射光学系と、
   入射光束の中心軸に対して所定方向に基準方位を設定して配置される複屈折光分岐素子と、
   前記複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を、前記所定方向の成分と当該所定方向に対する直交方向の成分との配分に関して調節する偏光状態調節部材と
   を備え、
   前記偏光状態調節部材は波長板を有し、当該波長板の前記基準方位を中心軸まわりに回転させることによって前記像光の偏光状態を調節することで、前記複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を０〜０．５の範囲で変更可能であることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記表示装置は、照明装置からの照明光によって照明される光変調装置であり、当該光変調装置は、像光の射出が周期的な部分領域で制限されるブラックマトリックス部分を有し、前記複屈折光分岐素子は、前記ブラックマトリックス部分の配置及び形状に対応した厚みを前記中心軸の方向に関して有する複屈折板であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
3. 前記波長板を回転させることにより、前記複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を変更する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のプロジェクタ。
4. 表示装置からの像光を結像する投射光学系と、
   入射光束の中心軸に対して所定方向に基準方位を設定して配置される複屈折光分岐素子と、
   波長板を有し、当該波長板の前記基準方位を中心軸まわりに回転させることにより、前記複屈折光分岐素子に入射させる像光の偏光状態を、前記所定方向の成分と当該所定方向に対する直交方向の成分との配分に関して調節する偏光状態調節部材と、
   前記複屈折光分岐素子によって分岐される像光の強度比を設定する手段と、
   前記設定する手段により設定された前記強度比に基づいて前記波長板を回転させることにより、前記複屈折光分岐素子によって分岐される像光の前記強度比を変更する制御手段と、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
5. 前記設定する手段は、画像信号又はユーザの選択に基づいて前記強度比を設定することを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
6. 前記複屈折光分岐素子の前方側において基準方位を前記所定方向に対して光軸まわりの直交方向に設定して配置される第２の複屈折光分岐素子と、当該第２の複屈折光分岐素子に入射する像光の偏光状態を前記所定方向の成分と前記直交方向の成分との配分に関して調節する第２の偏光状態調節部材とをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載のプロジェクタ。
7. 前記表示装置は、各色ごとに設けられて個別に照明される複数の光変調装置を含み、当該光変調装置によって変調された光を合成して射出させる光合成部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項記載のプロジェクタ。
8. 前記偏光状態調節部材及び前記複屈折光分岐素子は、前記光合成部材の前方側において、光路に沿って順次配置されることを特徴とする請求項７記載のプロジェクタ。
9. 前記偏光状態調節部材及び前記複屈折光分岐素子は、前記複数の光変調装置のそれぞれの前方側であって前記光合成部材の後方側において、各色ごとの光路に沿ってそれぞれ順次配置されることを特徴とする請求項７記載のプロジェクタ。

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