JP4812178B2

JP4812178B2 - 画像投射装置

Info

Publication number: JP4812178B2
Application number: JP2001059816A
Authority: JP
Inventors: 康之滝口; 健司亀山; 一也宮垣; 敬信逢坂
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP2002258402A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像投射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、投射型の画像表示装置がテレビジョン用やデータ表示用に広く用いられるようになってきた。特に、データ表示用では、より多くの画像情報を扱う必要があり、投射型画像表示装置の画素数も年々改良が加えられてきている。
【０００３】
従来のデータ表示用投射型表示装置では、図１７に示すように液晶パネル５３１，５３２，５３３などのライトバルブを３枚用い、光源５１１の光をダイクロイックミラー(５２１，５２２)などで分光して各液晶パネル(５３１，５３２，５３３)を照明し、これをダイクロイックプリズム５７１により再度合成し、投射レンズ５５１に導くいわゆる３板式の投射装置が一般的である。図において、５６１はスクリーン、５４１はミラーを示している。５８１〜５８４はライトバルブを均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成するレンズ群である。
【０００４】
また、別の方法として、１枚のライトバルブを用い、
(１) マイクロカラーフィルタ、
(２) 傾斜配置させたダイクロイックフィルタ及びマイクロレンズ、
(３) ホログラム分光素子
などを用いてカラー表示する方法も知られている。
【０００５】
(１)のマイクロカラーフィルタ方式は、通常の直視型の液晶表示素子と同様に、画素に対応させてカラーフィルタを配置した液晶パネルを用いるものである。
【０００６】
(２)は図１８に示すように傾斜配置させたダイクロイックミラー５８１Ｒ，５８１Ｇとマイクロレンズ５５５とを用い、色毎に隣接する画素を照明するように構成したものである。図中、５１１はライトバルブとしての１枚の液晶パネル、５３１は光源、４１，５５１，５６１，５５２はライトバルブを均一に照明するためのインテグレータ光学系を構成するレンズ群、５４２は投射レンズ、５７１はスクリーンである。また、５８０はダイクロイックミラー５８１Ｒ，５８１Ｇとミラー５９１とによる分光手段である。
【０００７】
(３)は図１９に示すように傾斜させたダイクロイックミラー５８１Ｒ，５８１Ｇの代わりに分光、集光特性を有するホログラム素子５８３を用い、色毎に隣接する画素を照明するようにしたものである。図中、５１２はライトバルブとしての１枚の液晶パネルである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術において、３板式は分光、合成光学系が必要で装置が大きくなるという問題がある。また、ライトバルブが３枚必要であるので、高コストとなるという問題がある。
【０００９】
一方、単板式の場合、光学系の小型化は比較的容易であるが、カラーフィルタを用いた場合にはカラーフィルタによる吸収のため光量の損失が大きいという問題がある。
【００１０】
また、傾斜させたダイクロイックミラーを用いる方式とホログラム素子を用いる方式では、光学素子によるロスを除いては、光量ロスは少ないが、単板式共通の問題点として、ライトバルブの画素数に対して表示される画素数が１／３になるという欠点がある。
【００１１】
表示させる画素数を増やすためにはライトバルブの画素数を増加させればよいが、実際には技術的な問題により容易ではない。
【００１２】
即ち、ライトバルブの表示面積を変えず画素を高密度化する場合、ライトバルブの配線やスイッチング素子の寸法の制約から高密度化に伴って画素の開口率が低下し、光の利用効率が低下するという問題がある。また、ライトバルブの加工上の問題によっても高精細化に限界がある。
【００１３】
一方、ライトバルブの精細度を変えず、ライトバルブ自体の表示面積を増やす方法もある。
【００１４】
しかしながら、ライトバルブの面積を増やすと、加工上の欠陥に伴う歩留まりが低下し、非常にコストが高くなるという問題がある。さらに、光学部品の大型化によりコスト上昇を招くという問題もある。
【００１５】
本発明の目的は、上述のような問題が解決された小型で高精細な表示が可能であり、低コストの画像投射装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の画像投射装置は、ライトバルブと、このライトバルブを照明する照明手段と、この照明手段による照明光を分光し、分光した光で各色毎に前記ライトバルブの異なる画素領域を照明させる分光手段と、前記分光手段による各色光が照明する前記ライトバルブの画素領域を時系列的に変化させる光路変更手段と、を備え、前記光路変更手段は、前記照明光を直進させる平行平板部分と、前記照明光の光軸を第１の方向に曲折させる第１のプリズム形状部分と、前記照明光の光軸を第２の方向に曲折させる第２のプリズム形状部分と、を含み、前記照明手段と前記分光手段との間に配置された光学素子を備え、前記照明光が前記平行平板部分または前記第１のプリズム形状部分または前記第２のプリズム形状部分を透過して前記分光手段に入射するように前記光学素子を動かすことで、前記分光手段への入射光の入射角を変化させるものであることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の画像投射装置において、隣接した画素が異なる色光で照明されることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の画像投射装置において、前記分光手段が、互いに異なる傾斜角で配置された複数のダイクロイックミラーとマイクロレンズとよりなることを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の画像投射装置において、前記分光手段が、ホログラム素子よりなることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態の原理を説明するための図である。ｒ１〜ｒ６，Ｃ１〜Ｃ６はライトバルブ１の画素の行及び列を表す。図中で実線の四角で囲まれた領域がライトバルブの各角画素を表す。点線の四角で表したＡ１〜Ａ３は照明光の照明領域（画素領域）を表し、Ａ１〜Ａ３は各々異なる波長域の光で照明される。
【００３２】
例えば、或る時間範囲ｔ１〜ｔ２においては、照明領域Ａ１が青（Ｂ）、Ａ２が緑（Ｇ）、Ａ３が赤（Ｒ）のように照明される。このとき、照明領域Ａ１〜Ａ３内の各角画素は、照明されている色に対応する画像情報が書き込まれ、照明光を変調する。
【００３３】
ここまでは、従来のホログラム素子や傾斜させたダイクロイックミラーを用いた単板方式と同様であるが、本実施の形態では、各色が照明する領域を時間的（時系列的）に変化させることを特徴とする。
【００３４】
即ち、時刻ｔ２に引き続くｔ２〜ｔ３の期間、各色光は別の照明領域を照明する。例えば、照明領域Ａ１が赤、Ａ２が青、Ａ３が緑のようにである。さらに、時刻ｔ３に引き続くｔ３〜ｔ４の期間には、照明領域Ａ１が緑、Ａ２が赤、Ａ３が青のように照明される。この例では、時間ｔ１〜ｔ４の間に全ての画素が時間分割で３色各々の画像情報を変調することになる。
【００３５】
このように構成することにより、３色に分光した場合には、ｘ×ｙの画素数を持つライトバルブにより、ｘ×ｙのカラー画像情報を表示することが可能となる。
【００３６】
一方、従来の単板式では同じ画素数のライトバルブでｘ×ｙ／３の画像情報しか表示することができない。従来公知の３板式においてもｘ×ｙのカラー表示を行わせることが可能であるが、この場合、ライトバルブを３枚用いるため、高コストである上、光を分光するためのミラー等を配置するスペースが必要となり、装置が大型化する。
【００３７】
この点、本実施の形態によれば、小型で低コストの装置で、高密度の画像情報を表示することが可能となる。
【００３８】
光源の白色光は分光手段によって各色光に分光され、各色光毎に図１のように異なる照明領域を照明するよう構成される。
【００３９】
分光手段としては、角度を異ならせて配置させた複数のダイクロイックミラーとマイクロレンズとの組合せや、ホログラム分光素子を好適例として挙げることができる。
【００４０】
図２は本実施の形態の画像投射装置の構成例を示したものである。照明手段としての光源３１からの光は分光手段８０によって分光され、ライトバルブとしての液晶パネル１１を照明する。照明光は液晶パネル１１によって変調され、投射レンズ４２によってスクリーン７１上に投影される。５１，５２は必要に応じて設けられるインテグレータ光学系、４１，６１も必要に応じて設けられる光学素子であって、各々フィールドレンズ、偏光変換素子を表す。分光手段８０は、入射光に対して赤反射特性を有するダイクロイックフィルタ８１Ｒ、緑反射特性を有するダイクロイックフィルタ８１Ｇ及びミラー９１によって３色に分解するように構成されている。
【００４１】
なお、図１では、インテグレータ光学系を一対のフライアイレンズ５１，５２で構成したが、本実施の形態はこれに限定するものではない。また、フィールドレンズの使用及び配置についても同様に限定するものではない。
【００４２】
本実施の形態において、照明光は分光手段８０とマイクロレンズ５５とによってライトバルブとしての液晶パネル１１の画素を図１に示したように照明する。２１は照明光の光路変更手段であり、これによって照明光の入射角が時間によって時系列的に変調され、ライトバルブを照明する各色光の照射領域が変更可能となっている。光路変更手段は２１ｂとして示すように分光手段８０の後方の光路上に配置することもできる。
【００４３】
光源３１としては、図示したようなランプ、一般的には放電ランプの他、発光ダイオード、レーザー、エレクトロルミネッセンス素子などを用いることができる。また、インテグレータ光学系としては、ロッドインテグレータによって構成することもできる。ライトバルブは、透過型又は反射型の液晶パネルやマイクロミラーデバイスなど、光強度、偏光状態、光路、位相などを変調するものであれば使用できる。
【００４４】
図２は透過型の液晶パネル１１を用いた場合の構成例を示しているが、他のライトバルブの場合には、その光学的特性に応じて、配置及び用いる光学素子を変更、追加する必要がある。
【００４５】
各色光がライトバルブを照明する時間、例えば、Δｔ＝ｔ２−ｔ１は１５msec以下であることが必要で、１０msec以下であることが好ましい。さらには、７msec以下であることがより好ましい。この時間が長い場合には、ちらつきが目視され、好ましくない。
【００４６】
本実施の形態では、照明領域Ａ１〜Ａ３を時間によって時系列的に切換える必要がある。これは、具体的には、分光手段８０への入射光の入射角を変化させる方法、分光手段８０を入射光に対して傾斜させる方法、異なる配光特性を有する分光手段８０を切換える方法、ライトバルブ１１自体を照明光に対して位置変化させる方法、分光手段８０とライトバルブ１１との間に光路変更手段を設ける方法等を好適例として挙げることができる。
【００４７】
このような光路変更手段としては、レンズ、プリズム等の光学部材の位置変化によるもの、電気光学結晶や液晶などの電気光学素子を用いたものを好適例として挙げることができる。また、液晶と複屈折性材料とから構成される光路偏光手段も好適例として挙げることができる。
【００４８】
このように構成することによって、光源光は照明系での吸収や反射等の損失を除いては、ほぼ全てライトバルブ１１に導かれることになる。
【００４９】
従って、カラーフィルタを用いた単板式投射装置のようなカラーフィルタ等による光量ロスが無い。
【００５０】
ちなみに、時間的に照明光の波長域を回転カラーフィルタなどを用いて切換え、照明光の色に対応する画像情報をライトバルブに表示し、時間的に各色の情報を重ね合わせる方式がフィールドシークエンシャル方式として知られている。時間的に色情報を重ね合わせるという観点からは、本実施の形態も、この技術範囲に属するが、複数色を同時に照明し、かつ、時間的に照明領域を切換える点では、大きく技術思想が異なるものである。即ち、従来のフィールドシークエンシャル方式では、同時刻にはライトバルブは単一の色光で照明され、その際、他の色光は回転カラーフィルタ（円盤状に複数のカラーフィルタが組合されたフィルタユニット：回転させることで透過光の波長域を順次切換える）によって吸収又は反射される。従って、原理的に３色に分光した場合には１／３の光量が損失となる。これに対し、本実施の形態では、前述のように全ての光源光をライトバルブ１１に導くため、極めて効率が高い。
【００５１】
【実施例】
上述した本実施の形態の原理に基づく、より具体的な構成例を実施例として、以下に説明する。
【００５２】
＜実施例１＞
図３は、本実施例の画像投射装置の分光素子及びライトバルブ（液晶ライトバルブ）の周辺構造を示す拡大模式図である。入射光Ｌ１は赤反射特性を有するダイクロイックフィルタ８１Ｒ、緑反射特性を有するダイクロイックフィルタ８１Ｇ及びミラー９１によって構成された分光手段８０によりＲ，Ｇ，Ｂの３色に分解される。各フィルタ８１Ｒ，８１Ｇ及びミラー９１は図示するように傾斜角が異なるように配置され、それによって、分解された各色光は色毎に異なる入射角でマイクロレンズ５５に入射することになる。マイクロレンズ５５は各色光Ｌ１Ｂ，Ｌ１Ｇ，Ｌ１Ｒ毎にライトバルブ１１の異なる画素領域に対して集光、照明するよう機能する。
【００５３】
２１は光路変更手段であり、分光手段８０に入射する光の光路（光軸）を変化させる機能を有する。
【００５４】
図４は、光路変更手段２１によって光軸が別の状態に変更された後の光路を模式的に図示したものである。このように光路変更手段２１への入射光の入射角を変化させることによって、各色光が照明する画素領域を時系列的に変化させることができる。
【００５５】
図５は本実施例における光路変更手段２１の例を示したものである。本実施例の光路変更手段２１用の光学素子は、ガラス等の透光部材により構成され、平行平板部分２１１及びプリズム形状部分２１２，２１３から構成される。照明光が平行平板部分２１１に入射した際には光軸は曲がらず直進するが、プリズム形状部分２１２，２１３に入射した場合には図示したように、光軸が曲折される。この素子を、図中、上下方向に動かすことにより、照明光の角度を変調することが可能となる。
【００５６】
＜実施例２＞
図６は本実施例による画像投射装置を示す模式図である。８２はホログラム素子からなる分光素子である。他の符号は、実施例１の場合と同じ素子等を示し、説明も省略する。
【００５７】
図７はホログラム素子からなる分光手段８２及びライトバルブ１１、光路変更手段の機能を説明する図である。照明光Ｌ２１１（図７では、３画素に対応する照明光のみを図示）はホログラム素子８２によって分光、集光され、ライトバルブ１１の或る画素領域を照明する。光路変更手段によって入射角が変えられた照明光Ｌ２１２は隣接する画素領域に集光するように素子を構成する。
【００５８】
このように時系列的に入射角を変えることにより、各画素領域を時分割で異なる色光で照明することが可能となる。
【００５９】
＜実施例３＞
図８は、図３において、光路変更手段を用いずに、分光手段８０の角度を可変とし、時系列的に分光手段８０の傾斜角を変化させる構成を図示したものである。
【００６０】
このような構成によっても、時分割でライトバルブ１１の各画素領域を異なる色光で照明することが可能である。
【００６１】
＜実施例４＞
図９は実施例２において、複数の分光素子（本実施例では、ホログラム素子）８２を備え、それらを順次切換えるように構成した例である。ホログラム素子８２は図１０に示すように、複数の領域からなるホログラム素子８２１，８２２，８２３を有している。各領域のホログラム素子８２１，８２２，８２３は異なる配向特性を有しており、これを回転させることにより配向特性を変化させることができる。各ホログラム素子８２１，８２２，８２３が異なる画素領域を照明するよう配向特性を制御するように設計することにより、時分割で各色光を異なる画素領域に照明することができる。
【００６２】
＜実施例５＞
図１１は本実施例の構成例を示すもので、ライトバルブ１１が横方向に可動可能な構造とされている。分光素子（本実施例では、ホログラム素子）８２１によって各色光は隣接する画素領域を照明するが、ライトバルブ１１の移動に伴って、各色光の照明する画素領域もシフトし、異なる画素領域を照明するようになる。
【００６３】
このような構成により時分割で各色光を異なる画素領域に照明することができる。
【００６４】
＜実施例６＞
図１２は本実施例の構成例を示すもので、分光手段８２とライトバルブ１１との間には光路変更手段８３が配置されている。光路変更手段８３は図１３に示すように照明光Ｌ２１１の光軸をシフト又は曲折させるように作用する。光路変更手段８３による光路変更量は可変となっている必要がある。
【００６５】
このような構成により時分割で各色光を異なる画素領域に照明することができる。
【００６６】
図１４は光路変更手段８３として光路を曲折させる構成例を示し、平行平板状のガラスが配置されており回転可能となっている。光軸に対して、図１４（ｂ）に示すようにガラス板を傾斜させることにより、図のように光路をシフトさせることが可能となる。
【００６７】
＜実施例７＞
図１５は光路変更手段８３として光路を曲折させる構成例を示したものである。２枚の透光性基板８３１の間に液晶８３２が配置されている。液晶８３２は傾斜した配向と垂直又は水平に配向した状態の少なくとも２状態以上の配向間でスイッチング可能なように構成する。基板８３１上に構成された電極（図示せず）に電圧を印加することにより液晶８３２の配向を変化させ、それに伴って入射光の光軸をシフトさせる。図中、矢印で示した偏光は、図中、左側に示すように、傾斜配向した液晶層を透過することにより、光軸がシフトする。シフト量を調整するには液晶の角度を制御するか、図のような素子を複数重ね、別個に動作させればよい。
【００６８】
＜実施例８＞
図１６は光路変更手段８３として光路を曲折させる別の構成例を示したものである。強誘電性液晶８３３及び結晶の光軸が入射光の光軸に対して斜めに配置された光学結晶８３４から基本的に構成される。
【００６９】
結晶に入射する光の偏光方向が結晶軸の傾斜面に平行であるとき、光路は図中、左側に示すようにシフトする。それに対して、結晶軸の傾斜面に垂直である場合には、図中、右側に示すように光路は偏向を受けない。
【００７０】
強誘電性液晶８３３は１／２波長板として作用するか否かを電気的に制御することが可能であり、結晶に入射する偏光の方向を制御するように作用する。８３５はライトバルブに入射する偏光を制御するための強誘電性液晶セルであり、必要に応じて配置される。強誘電性液晶セル８３５を強誘電性液晶８３３と同期させて動作させた場合には、照明光は常に同一の偏光となり、特に偏光制御を行う液晶ライトバルブの場合、好適例となる。この場合、多値のシフト量の制御は、このような素子を積層することで容易に達成することができる。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１及び２記載の発明によれば、高精細な画像表示を簡略化された小型の投射装置で実現することができる。また、照明領域を効率よくかつ簡略に変更する光路変更手段の具体的構成例が明らかとなる。
【００７２】
請求項３及び４記載の発明によれば、色光を異なる画素領域に分光・集光する効率的な装置構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すライトバルブの原理的な正面図である。
【図２】その画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【図３】本発明の実施例１の画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【図４】その光軸状態が変化した後の様子を示す概略側面図である。
【図５】その光路変更手段の構成例を示す側面図である。
【図６】本発明の実施例２の画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【図７】その光路変更手段等の機能を説明するための概略側面図である。
【図８】本発明の実施例３の画像投射装置の一部の構成例を示す概略側面図である。
【図９】本発明の実施例４の画像投射装置の一部の構成例を示す概略側面図である。
【図１０】そのホログラム素子の構成例を示す正面図である。
【図１１】本発明の実施例５の画像投射装置の一部の構成例を示す概略側面図である。
【図１２】本発明の実施例６の画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１３】その光路変更手段等の機能を説明するための概略側面図である。
【図１４】光路変更手段の構成例を示す側面図である。
【図１５】本発明の実施例７の画像投射装置の一部の構成例を示す概略側面図である。
【図１６】本発明の実施例８の画像投射装置の一部の構成例を示す概略側面図である。
【図１７】従来の画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１８】他の従来の画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【図１９】さらに他の従来の画像投射装置の構成例を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１ライトバルブ
１１ライトバルブ
２１光路変更手段
３１照明手段
５５マイクロレンズ
８０分光手段
８１Ｒ，８１Ｇダイクロイックミラー
８３光路変更手段
８２１ホログラム素子、分光手段

Claims

ライトバルブと、
このライトバルブを照明する照明手段と、
この照明手段による照明光を分光し、分光した光で各色毎に前記ライトバルブの異なる画素領域を照明させる分光手段と、
この分光手段による各色光が照明する前記ライトバルブの画素領域を時系列的に変化させる光路変更手段と、を備え、
前記光路変更手段は、
前記照明光を直進させる平行平板部分と、前記照明光の光軸を第１の方向に曲折させる第１のプリズム形状部分と、前記照明光の光軸を第２の方向に曲折させる第２のプリズム形状部分と、を含み、前記照明手段と前記分光手段との間に配置された光学素子を備え、
前記照明光が前記平行平板部分または前記第１のプリズム形状部分または前記第２のプリズム形状部分を透過して前記分光手段に入射するように前記光学素子を動かすことで、前記分光手段への入射光の入射角を変化させるものであることを特徴とする画像投射装置。
隣接した画素が異なる色光で照明されることを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
前記分光手段が、互いに異なる傾斜角で配置された複数のダイクロイックミラーとマイクロレンズとよりなることを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
前記分光手段が、ホログラム素子よりなることを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。