JP5759288B2 - 偏光変調装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる偏光変調装置に関する。

上記のような画像投射装置には、投射レンズ（投射光学系）よりも被投射面であるスクリーン側に、画像出力に同期して駆動される液晶素子を配置したものがある。特許文献１には、液晶素子を用いて、１フィールド毎に右眼用画像と左眼用画像とを交互に投射することで３Ｄ映像を表示する画像投射装置が開示されている。また、特許文献２には、液晶素子を用いて映像中に黒画像を挿入することで、映像の残像感を低減する等、映像特性を改善する映像表示装置が開示されている。

特開平１０−２８２７５号公報 特開２００１−４２２８２号公報

特許文献１，２で開示された装置において用いられる液晶素子には高速応答性が求められる。高速応答性に優れた液晶素子としては、例えば光学補償ベンド（Optically Compensated Bend：OCB）方式液晶素子が知られている。ただし、ＯＣＢ方式液晶素子の液晶分子はベンド配向されており、該液晶素子はラビング方向において自己補償性を持つため、ラビング方向での入射角度特性に対して、ラビング方向に直交する方向での入射角度特性が低下する。

投射レンズよりもスクリーン側に液晶素子を配置して高速変調を行う場合、投射レンズの画角によって液晶素子への光の入射角度が決まる。しかし、特に広画角の投射レンズを用いた場合には、投射画像に色むらが発生する。

偏光を用いた画像投射装置では、光源からの光をP偏光またはS偏光の直線偏光に変換した上で複数の光変調素子（液晶表示素子）に対して色分離と色合成を行う。このため、射出側に位相差板を配置しない限り、投射画像を形成する射出偏光は、水平方向に対して０度や９０度の偏光方向を有する直線偏光となる。

特許文献１にて開示された画像投射装置のように投射レンズから射出した光をそのままスクリーンに投射する場合は、射出偏光が水平に対して０度または９０度をなす偏光方向を有し、液晶素子は水平方向に対して４５度をなすラビング方向を有する。このため、投射画像の対角方向が入射角度特性が低い方向となり、使用する投射レンズの画角が大きくなると色むらも顕著になる。

また、液晶素子のラビング方向を水平方向とすると、そのままでは成り立たないため、４５度偏光板を検光子として挿入せざるを得ず、この結果、投射される光量（つまりは投射画像の明るさ）が半減する。

さらに、特許文献２には、バックライト光源が画像投射装置のように広画角を有する場合に発生する画面内の色むらや透過光量の減少に関して何ら考慮されていない。

本発明は、明るく、色むらの少ない画像を投射できるようにした偏光変調装置およびこれを用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての偏光変調装置は、光変調素子によって変調された互いに波長帯域が異なる複数の色光を被投射面に投射する投射光学系と、投射光学系よりも光変調素子側に配置され、複数の色光のうち特定色光の偏光方向を他の色光の偏光方向に一致させる波長選択性位相差板と、投射光学系よりも被投射面側に配置され、水平方向に対して４５度傾いた偏光透過軸を有する入射偏光板と、波長選択性位相差板と入射偏光板との間に配置され、水平方向に対して４５度の偏光方向を有する偏光光を射出する１／２位相差板と、入射偏光板よりも被投射面側に配置され、ラビング方向が入射偏光板の偏光透過軸に対して４５度傾いた光学補償ベンド方式液晶セルとを有することを特徴とする。

なお、光源からの光を変調する光変調素子を少なくとも含み、上記偏光変調装置が一体に設けられた又は取り外し可能に装着される画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、液晶セルへの光入射角度が大きい場合でも、明るく、色むらの少ない投射画像を表示可能な偏光変調装置を提供することができる。

本発明の実施例１である偏光変調装置を有する画像投射装置の構成を示す図。 実施例１の偏光変調装置の分解図。 ＯＣＢ方式液晶素子の構成を示す分解図。 本発明の実施例２である偏光変調装置の分解図。 本発明の実施例３である偏光変調装置の分解図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である偏光変調装置を備えた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。本実施例の偏光変調装置は、例として、映像中に黒画像を挿入し、映像における残像感を低減する等、映像特性を改善するのに適した構成を有する。

図１において、１００は液晶プロジェクタ本体であり、照明光学系、色分離合成光学系および液晶パネルを収容している。１は放電ランプ等の光源であり、２は光源１からの光を複数の光束に分離した上で、該複数の光束を後述する液晶パネル上にて重ね合わせるように集光するインテグレータである。インテグレータ２内には、光源からの無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する偏光変換素子も含まれる。

３はダイクロイックミラーであり、緑の波長帯域の光（緑色光：以下、Ｇ光という）を透過して、赤の波長帯域の光（赤色光：以下、Ｒ光という）および青の波長帯域の光（青色光：以下、Ｂ光という）を反射する。

４はＲ波長選択性位相差板であり、Ｒ光の偏光方向のみを９０度回転させる。５はＧ光用の光変調素子としての反射型液晶表示素子（以下、Ｇ液晶パネルという）であり、６はＢ光用の光変調素子としての反射型液晶表示素子（以下、Ｂ液晶パネルという）である。７はＲ光用の光変調素子としての反射型液晶表示素子（以下、Ｒ液晶パネルという）である。

８ａは第１の偏光ビームスプリッタであり、８ｂは第２の偏光ビームスプリッタである。これら第１および第２の偏光ビームスプリッタ８ａ，８ｂは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を反射する。９はダイクロイックプリズムであり、Ｒ光およびＢ光を透過して、Ｇ光を反射する。

上述した偏光変換素子により偏光変換されてインテグレータ２から射出される光がＳ偏光である場合、ダイクロイックミラー３を透過したＳ偏光としてのＧ光は、第１の偏光ビームスプリッタ８ａで反射されてＧ液晶パネル５に入射する。Ｇ液晶パネル５で変調され、かつ反射されたＧ光はＰ偏光となり、第１の偏光ビームスプリッタ８ａを透過してダイクロイックプリズム９に入射する。

一方、ダイクロイックミラー３で反射されたＳ偏光としてのＲ光は、Ｒ波長選択性位相差板４によって偏光方向が回転されてＰ偏光となって第２の偏光ビームスプリッタ８ｂに入射する。このＲ光は、第２の偏光ビームスプリッタ８ｂを透過して、Ｒ液晶パネル７に入射する。Ｒ液晶パネル７で変調され、かつ反射されたＲ光はＳ偏光となり、第２の偏光ビームスプリッタ８ｂで反射されてダイクロイックプリズム９に入射する。

さらに、ダイクロイックミラー３で反射されたＳ偏光としてのＢ光は、Ｒ波長選択性位相差板４をそのまま透過して第２の偏光ビームスプリッタ８ｂに入射し、該第２の偏光ビームスプリッタ８ｂで反射されて、Ｂ液晶パネル６に入射する。Ｂ液晶パネル６で変調され、かつ反射されたＢ光はＰ偏光となり、第２の偏光ビームスプリッタ８ｂを透過してダイクロイックプリズム９に入射する。

ダイクロイックプリズム９において、Ｇ光は反射され、Ｒ光およびＢ光は透過される。これにより、Ｒ光、Ｇ光およびＢ光は合成されて偏光変調装置２００に入射する。ダイクロイックプリズム９から射出したＧ光およびＢ光はＰ偏光であり、Ｒ光はＳ偏光である。すなわち、複数（３つ）の色光のうち１つの特定色光であるＲ光の偏光方向が、他の色光であるＧ光およびＢ光の偏光方向と異なる。

偏光変調装置２００において、１０はＲ波長選択性位相差板であり、Ｒ光の偏光方向のみを９０度回転させ、Ｒ光の偏光方向をＧ光およびＢ光の偏光方向に一致させる。これにより、Ｒ波長選択性位相差板１０から射出するＲ光、Ｇ光およびＢ光はすべてＳ偏光となる。１１は投射光学系としての投射レンズである。

Ｒ波長選択性位相差板１０は、投射レンズ１１と色分離合成光学系との間、言い換えれば投射レンズ１１よりも液晶パネル（５〜７）側、すなわち光変調素子側に配置されている。Ｒ波長選択性位相差板１０を、投射レンズ１１よりもスクリーン（１７）側、すなわち被投射面側に配置すると、投射レンズ１１が広画角になった場合にＲ波長選択性位相差板１０の入射角度特性によって、投射画像の四隅が色づく可能性がある。これに対して、投射レンズ１１と色分離合成光学系との間はテレセントリックになっているので、このような問題は生じない。

１２は入射した偏光光の偏光方向を４５度回転させる１／２位相差板（λ／２板）であり、Ｒ波長選択性位相差板１０と後述する入射偏光板１３との間に配置されている。

１３は入射偏光板であり、投射レンズ１１よりもスクリーン（１７）側、すなわち被投射面側に配置されている。３つの色光は第１および第２の偏光ビームスプリッタ８ａ，８ｂによって検光されるが、ダイクロイックプリズム９、Ｒ波長選択性位相差板１０および投射レンズ１１によって偏光状態が乱れる可能性がある。このため、投射レンズ１１よりもスクリーン側に入射偏光板１３を配置して、不要光をカットする。

１４は入射した偏光を高速で変調する液晶層としての液晶セルであり、入射偏光板１３よりもスクリーン側に配置されている。

１５は位相補償板であり、液晶セル１４よりもスクリーン側に配置されている。１６は射出偏光板であり、位相補償板１５よりもスクリーン側に配置されている。スクリーン１７には、偏光変調装置２００から射出した光が投射され、映像が表示される。なお、スクリーン１７に代えて、部屋の壁等、プロジェクタ専用のスクリーン以外の被投射面に映像を投射表示してもよい。

本実施例の偏光変調装置２００において用いられている液晶セル１４は、光学補償ベンド（Optically Compensated Bend：OCB）方式液晶セルであり、図３に示すように、ラビング方向に沿って液晶分子が弓なりの配向（ベンド配向）を有する。このため、ラビング方向の入射角度特性が高いという特徴を有する。しかし、ラビング方向に直交する方向においては、ラビング方向と比べて入射角度特性が低い。

液晶セル１４を、投射レンズ１１よりスクリーン側に配置して入射光の高速変調を行うと、投射レンズ１１が広画角の場合（例えば、投射レンズ１１の半画角が３５度以上である場合）にラビング方向に直交する方向において投射画像に色むらが生じる。投射画像は矩形画像であり、該矩形の対角方向が最も画角が大きいため、ＯＣＢ方式液晶セルのラビング方向は、画像面に対して垂直方向または水平方向とするのが好ましい。

しかし、プロジェクタ本体１００から射出される偏光光の偏光方向は０度または９０度の方向である。このため、ＯＣＢ方式液晶セルをそのまま配置すると、ラビング方向が４５度の方向になり、投射画像の対角方向のうちラビング方向に直交する方向においてのみ色むらが目立つ。一方、色むらを低減するためにラビング方向が水平方向または垂直方向となるようにＯＣＢ方式液晶セルを配置すると、入射偏光板１３への入射光量光が半減する。

本実施例の偏光変調装置２００では、図２に示すように、入射偏光板１３よりも液晶パネル側（Ｒ波長選択性位相差板１０と入射偏光板１３との間）に１／２位相差板１２を配置している。そして、１／２位相差板１２からの射出偏光が、水平方向または垂直方向に対して４５度の偏光方向を有するように調整する。

１／２位相差板１２には、１軸性複屈折を面内に有した複屈折材料が用いられている。１軸性複屈折材料には、進相軸とこれに直交する遅相軸とがあり、進相軸に沿った偏光成分の位相は進み、遅相軸に沿った偏光成分の位相は遅れるという特性を持つ。この進相軸と遅相軸の位相差を波長の２分の１に設定したものが１／２位相差板であり、遅相軸と入射直線偏光とのなす角度がθであるとき、２θだけ偏光方向を回転させる機能を有する。

本実施例では、１／２位相差板１２への入射偏光の偏光方向が水平方向（特定方向）である。この場合、１／２位相差板１２の遅相軸を２２．５度に配置すると、１／２位相差板１２からの射出偏光の偏光方向は、水平方向に対して４５度の方向となる。このため、入射偏光板１３の偏光透過軸を水平方向に対して４５度傾けて、液晶セル１４のラビング方向を、入射偏光板１３の偏光透過軸に対して４５度傾いた水平方向（特定方向と同じ方向）とすることができる。したがって、画角が大きい対角方向に対して液晶セル１４の入射角度特性が良い方向を配置することができ、これにより投射画像の色むらを低減することができる。なお、１／２位相差板１２は、Ｒ波長選択性位相差板１０と投射レンズ１１との間に配置してもよい。

位相補償板１５は、液晶セル１４の入射角度特性を補償する。該位相補償板１５は、液晶セル１４を挟み込むように液晶セル１４の前後に配置するのが好ましい。しかし、図１および図２に示すように、少なくとも液晶セルよりもスクリーン側に配置することで、より色むらを低減することができる。

射出偏光板１６は、液晶セル１４によって変調された光のうち不要な光をカットする。射出偏光板１６は、入射偏光板１３に対してクロスニコル（crossed nicols）の状態に配置される。すなわち、射出偏光板１６は、入射偏光板１３の偏光透過軸に対して直交する偏光透過軸を有する。

本実施例では、プロジェクタ本体１００における光変調素子として反射型液晶表示素子を用いているが、透過型液晶表示素子やマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いてもよい。また、本実施例では、Ｒ波長選択性位相差板１０からの射出偏光をＳ偏光としているが、Ｐ偏光でもよい。

さらに、本実施例では、波長選択性位相差板１０として、Ｒ光の偏光方向のみを回転させるものが用いられているが、Ｇ光やＢ光の偏光方向を回転させる波長選択性位相差板としてもよい。また、プロジェクタ本体１００の光学構成の変更に伴って、Ｇ光の偏光方向を回転させる波長選択性位相差板を用いてもよい。さらに、１／２位相差板と一体に組み合わせて、Ｒ光の偏光方向を４５度回転させ、Ｇ光およびＢ光の偏光方向を−４５度回転させて、Ｒ光の偏光方向をＧ光およびＢ光の偏光方向に一致させる素子としてもよい。

本実施例では、液晶セル１４のラビング方向を水平方向としているが、ラビング方向を、入射偏光板１３の偏光透過軸に対して４５度傾いた垂直方向（特定方向に直交する方向）としてもよい。多くのプロジェクタでは、投射レンズを光軸に直交する方向にシフトさせる、いわゆるレンズシフト機能を有する。しかし、垂直方向のレンズシフト量が大きくなると、水平方向よりも垂直方向の方が画角が大きくなることもあるため、ラビング方向を垂直に取るほうが色むらに対して有利である。

また、本実施例では、１／２位相差板１２、入射偏光板１３、液晶セル１４、位相補償板１５および射出偏光板１６を、この順で、投射レンズ１１よりもスクリーン側に配置している。これに対し、１／２位相差板１２、入射偏光板１３、液晶セル１４、位相補償板１５および射出偏光板１６をダイクロイックプリズム９と投射レンズ１１との間に配置することも可能である。しかし、この場合、液晶セル１４の入射角度特性は改善されるが、投射レンズ１１のバックフォーカスが大きくなり、投射レンズ１１のサイズが著しく大きくなる。

図４には、本発明の実施例２である偏光変調装置の構成を示している。本実施例の偏光変調装置は、３Ｄ映像の表示に適した構成を有する。

本実施例は、実施例１の偏光変調装置２００の構成から射出偏光板１６を外した構成を有する。この構成では、液晶セル１４の変調に従って、偏光方向が水平方向に対して４５度と−４５度をなす偏光光が交互に投射される。そして、これに同期して右眼用画像と左眼用画像を投射することで、ユーザは、右眼用に偏光透過軸が４５度の偏光板を備え、左眼用に偏光透過軸が−４５度の偏光板を備えた偏光メガネを通して３Ｄ映像を観察することができる。

図５には、本発明の実施例３である偏光変調装置の構成を示している。本実施例の偏光変調装置も、３Ｄ映像の表示に適した構成を有する。

本実施例は、実施例１の偏光変調装置２００に用いられている射出偏光板１６に代えて、１／４位相差板１８を用いた構成を有する。ユーザが使用する偏光メガネの右眼用および左眼用のうち一方に１／４位相差板を設け、他方に偏光板を設けることで、ユーザからの視野角特性を改善することができる。

以上説明した各実施例の偏光変調装置をプロジェクタ本体に一体に設けて又は取り外し可能に装着して用いることで、従来のプロジェクタよりも明るく、かつ色むらが少ない映像を容易に投射することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

明るく、かつ色むらが少ない映像の投射を可能とする偏光変調装置および画像投射装置を提供できる。

１００ 液晶プロジェクタ本体
２００ 偏光変調装置
５，６，７ 反射型液晶表示素子
１０ Ｒ波長選択性位相差板
１１ 投射レンズ
１２ １／２位相差板
１３ 入射偏光板
１４ 液晶セル
１５ 位相補償板
１７ スクリーン

Claims (9)

1. 光変調素子によって変調された互いに波長帯域が異なる複数の色光を被投射面に投射する投射光学系と、
   前記投射光学系よりも前記光変調素子側に配置され、前記複数の色光のうち特定色光の偏光方向を他の色光の偏光方向に一致させる波長選択性位相差板と、
   前記投射光学系よりも前記被投射面側に配置され、水平方向に対して４５度傾いた偏光透過軸を有する入射偏光板と、
   前記波長選択性位相差板と前記入射偏光板との間に配置され、前記水平方向に対して４５度の偏光方向を有する偏光光を射出する１／２位相差板と、
   前記入射偏光板よりも前記被投射面側に配置され、ラビング方向が前記入射偏光板の前記偏光透過軸に対して４５度傾いた光学補償ベンド方式液晶セルとを有することを特徴とする偏光変調装置。
2. 前記光学補償ベンド方式液晶セルよりも前記被投射面側に配置された位相補償板を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光変調装置。
3. 前記ラビング方向が前記水平方向と同じ方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光変調装置。
4. 前記ラビング方向が前記水平方向に対して直交する方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光変調装置。
5. 前記光学補償ベンド方式液晶セルよりも前記被投射面側に配置され、前記入射偏光板の前記偏光透過軸に対して直交する偏光透過軸を有する射出偏光板を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光変調装置。
6. 前記投射光学系の半画角が３５度以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の偏光変調装置。
7. 前記波長選択性位相差板は、前記特定色光である赤色光の偏光方向を９０度回転させる位相差板であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の偏光変調装置。
8. 前記光変調素子は、反射型液晶表示素子であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の偏光変調装置。
9. 光源からの光を変調する光変調素子を含み、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の偏光変調装置が一体に設けられた又は取り外し可能に装着されることを特徴とする画像投射装置。