JP7086149B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光変調素子を２つ備え、２画面分の画像を投射可能な投射型表示装置に関する。

近年では、インターネットを介して複数人が参加可能なテレビ会議システム用のモニターや、複数の監視カメラを備えた監視システム用モニター、あるいは医療用モニターや教育用モニターなど、様々な分野において、大画面かつ多画素の表示装置が求められている。

従来から、ＤＭＤ素子や液晶素子などの光変調素子と投射光学系を備え、画像をスクリーン等に拡大投影して表示する投射型表示装置が知られている。投射型表示装置に用いられる光変調素子は、画素が微細化されて画素数が増加しており、ＸＧＡ（１０２４×７６８画素）、ＷＸＧＡ（１２８０×８００画素）からＷＵＸＧＡ（１９２０×１２００画素）、４Ｋへと進化している。

ただし、光変調素子の画素数を増加させると、製造歩留まりが低下する等の理由により、光変調素子の単価は大幅に上昇してしまう傾向がある。また、光変調素子の画素ピッチを微細化すると、画素配線や駆動トランジスタに対して開口部が占める面積の割合が低下する傾向があり、照明光の利用効率が低下してしまう場合がある。また、画素数を増加させると、駆動時に光変調素子基板の温度が上昇しやすくなる傾向がある。
したがって、単板の光変調素子を用いた投射型表示装置では、画素数を増加させたり画素サイズを微細化するのには限界があった。

そこで、比較的簡易に大画面表示を可能にする方法として、複数の投射型表示装置を併設し、投射画像を隣り合わせて表示させる方法が知られている。
例えば、特許文献１には、併設された複数の投射型表示装置から画像を投射する際に、投射型表示装置ごとの輝度や色度の差異が目立たなくなるようにする調整方法が提案されている。

特開２００９－１５９３７２号公報

複数の投射型表示装置を併設して投射画像を隣り合わせて表示させれば、大画面表示を簡易に実現できるようにも考えられる。しかしながら、現実には、隣り合わせて表示させる複数の投射画像を見た時に観察者が違和感を感じないようにするためには、投射型表示装置を設置・調整する際に、オペレータに高度な技能と多大な負荷が必要になっていた。

というのも、複数の投射型表示装置の各々は、独立した投射光学系と光変調素子を備えている。各装置から投射される隣り合う画像の位置、大きさ、傾き、合焦状態などを、観察者が違和感を感じないレベルに整合させるためには、各画像投射装置を設置する際の位置や、各投射型表示装置の投射光学系の設定を精密に調整する必要があるからである。

この点、特許文献１に開示された方法は、投射画像の画面境界で輝度や色度の差異が目立たなくなるようにする駆動調整方法であり、隣り合う画像の位置、大きさ、傾き、合焦状態などを調整するものではない。

そこで、２つの光変調素子で変調された画像を隣り合わせて投射して大画面表示をするが、隣り合う画像相互の位置、大きさ、傾き、合焦などの調整に多大な負荷を要しない投射型表示装置が求められていた。

本発明の一態様は、第１の照明光を画像信号に応じて変調する第１の光変調素子と、第２の照明光を画像信号に応じて変調する第２の光変調素子と、前記第１の光変調素子により変調された前記第１の照明光を結像して第１の中間像を形成する第１のリレーレンズと、前記第２の光変調素子により変調された前記第２の照明光を結像して第２の中間像を形成する第２のリレーレンズと、前記第１のリレーレンズから入射する光を全反射する第１反射面と、前記第２のリレーレンズから入射する光を全反射する第２反射面とを備え、前記第１反射面と前記第２反射面により頂角が形成されたルーフ状の反射光学素子と、投射レンズと、を備え、前記第１の光変調素子により変調された照明光は、前記第１反射面で反射されてから前記第１の中間像を結び、前記第２の光変調素子により変調された照明光は、前記第２反射面で反射されてから前記第２の中間像を結び、前記投射レンズの光軸は前記反射光学素子の頂角を通り、前記投射レンズは、前記第１の中間像及び前記第２の中間像を並べて拡大投射する、ことを特徴とする投射型表示装置である。

本発明によれば、２つの光変調素子で変調された画像を隣り合わせて投射して大画面表示させるが、隣り合う画像相互の位置、大きさ、傾き、合焦などの調整に多大な負荷を要しない投射型表示装置を提供することができる。また、複数の投射型表示装置を併設する従来の方法に比べて、装置の小型化や低コスト化を実現することができる。

実施形態１に係る投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。 （ａ）スクリーンＳＣ上に投射された表示画像の一例を示す図。（ｂ）スクリーンＳＣ上に投射された表示画像の他の一例を示す図。 （ａ）実施形態１におけるリレーレンズ３００Ａ、ルーフプリズム４０１、中間像５００Ａの位置関係の一例を示す図。（ｂ）実施形態１におけるリレーレンズ３００Ａ、ルーフプリズム４０１、中間像５００Ａの位置関係の他の一例を示す図。（ｃ）板状ミラーを組合わせて頂角αのルーフを有する反射光学素子を構成した例を示す図。 （ａ）比較例１としての投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。（ｂ）比較例１に用いた偏光ビームスプリッタ８００の分光特性を示す図。 （ａ）比較例２としての投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。（ｂ）比較例３としての投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。 実施形態２における画像の水平方向の位置調整方法を説明するための模式図。 実施形態２における画像の垂直方向の位置調整方法を説明するための模式図。 反射型光変調素子を備えた実施形態３にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。 頂角αが６０度のルーフプリズム４０２を備えた実施形態４にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。 中間像を凸レンズ内に形成した実施形態５にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。 （ａ）中間像の結像面を湾曲させた実施形態６にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。（ｂ）中間像の結像面を傾斜させた実施形態６にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図。 （ａ）表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを水平に並べて投射した実施形態の図。（ｂ）表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを垂直に並べて投射した実施形態の図。

［実施形態１］
図１は、実施形態１にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。投射型表示装置１は、透過型光変調素子２０１Ａ（第１の光変調素子）および透過型光変調素子２０１Ｂ（第２の光変調素子）を備えている。透過型光変調素子２０１Ａは、照明用光源１００Ａから照射される照明光ＩＬＡ（第１の照明光）を画像信号に基づいて変調し、透過型光変調素子２０１Ｂは、照明用光源１００Ｂから照射される照明光ＩＬＢ（第２の照明光）を画像信号に基づいて変調する。尚、透過型光変調素子２０１Ａおよび透過型光変調素子２０１Ｂとしては、例えば透過型液晶パネルが用いられ、照明用光源１００Ａおよび照明用光源１００Ｂとしては、例えばレーザダイオードやＬＥＤ等の発光素子が用いられる。照明用光源１００Ａと照明用光源１００Ｂは、それぞれ個別に発光素子を配置して構成してもよいし、同一光源から出る光を分割して各光変調素子に別光路で導くようにして実効的に２つの照明用光源が存する構成にしてもよい。

透過型光変調素子２０１Ａから出射される表示光は、光軸がＹ方向と平行なリレーレンズ３００Ａ（第１のリレーレンズ）にて集光され、所定の位置に中間像５００Ａ（第１の中間像）を結ぶ。ただし、透過型光変調素子２０１Ａから出射される表示光はルーフプリズム４０１の斜面（第１反射面）にて全反射されるようにし、中間像５００Ａの結像位置を、ルーフプリズム４０１の頂点よりもＸ方向に進んだ位置に設定する。同様に、透過型光変調素子２０１Ｂから出射される表示光は、光軸がＹ方向を平行なリレーレンズ３００Ｂ（第２のリレーレンズ）にて集光されるが、ルーフプリズム４０１の別の斜面（第２反射面）にて全反射されるようにし、中間像５００Ｂ（第２の中間像）の結像位置をルーフプリズム４０１の頂点よりもＸ方向に進んだ位置に設定する。これらの位置関係の設定については、後に図３（ａ）、図３（ｂ）を参照して説明する。

本実施形態の投射型表示装置１は、リレーレンズ３００Ａにて形成された中間像５００Ａと、リレーレンズ３００Ｂにて形成された中間像５００Ｂを、一括して拡大投射するための投射レンズ６００を備えている。投射レンズ６００の光軸ＬＸはＸ方向と平行とし、光軸ＬＸはルーフプリズム４０１の頂角を通るように位置決めされている。尚、図１では、投射レンズ６００により投射される光束の内、透過型光変調素子２０１Ａから出射された表示光のごく一部のみが示されている。

図２（ａ）は、スクリーンＳＣ上に投射された表示画像の一例を示し、表示画像７００Ａは中間像５００Ａが拡大投射されたものであり、表示画像７００Ｂは中間像５００Ｂが拡大投射されたものである。

また、図３（ａ）は、リレーレンズ３００Ａ、ルーフプリズム４０１、中間像５００Ａの位置関係を示す図である。尚、図示の便宜のためリレーレンズ３００Ｂと中間像５００Ｂを省略しているが、リレーレンズ３００Ｂは、投射レンズ６００の光軸ＬＸに対してリレーレンズ３００Ａと対称に配置され、中間像５００Ｂは、投射レンズ６００の光軸ＬＸに対して中間像５００Ａと対称な位置に形成される。

ルーフプリズム４０１の頂角αは、例えば９０度とする。その場合、投射レンズの光軸ＬＸに対してルーフプリズムの左右の反射面がなす角度は、ともに４５度で対称となるようにルーフプリズムの向きを設定する。そして、リレーレンズ３００Ａの光軸ＬＡが投射レンズの光軸ＬＸに対してなす角度を９０度とする。すなわち、リレーレンズ３００Ａを通過する表示光の主光線がルーフプリズム４０１の斜面に入射する入射角度を４５度にする。尚、ルーフプリズムの頂角αは、後述する実施形態のように、９０度以外の角度にして光学系を構成することも可能である。ただし、各光学素子のレイアウトに鑑みれば、投射型表示装置が大掛かりにならないようにするために、頂角αは６０度以上で９０度以下の範囲内に設定するのが好ましい。

ルーフプリズム４０１として、例えば光学ガラスより成る母材の表面を鏡面加工したプリズムを用いることができるが、これに限られるわけではなく、頂角の両側から入射する表示光を高い効率で反射して、投射レンズに向けて偏向できる反射光学素子であればよい。例えば、図３（ｃ）に示すように、板状ミラー４０３Ａと板状ミラー４０３Ｂを組合わせて、頂角αを構成したルーフ状の反射光学素子を用いてもよい。

投射レンズ６００のＦナンバーは、照明系のエタンデューによりＦ２．３～Ｆ２．８に設定されるが、光束角は、例えばＦ２．５では±１２度である。（すなわち、図３（ａ）に示すθの大きさは、１２度である。）
リレーレンズ３００Ａで結ばれる表示光を損失無く利用するには、±１２度の光束を全てルーフプリズム４０１で反射させる。この時、図３（ａ）に示すように、ルーフプリズム４０１の頂点と中間像５００ＡのＸ方向の距離をＬとし、ルーフプリズム４０１の頂点と中間像５００ＡのＹ方向の距離（すなわち、投射レンズの光軸ＬＸとの距離）をｈとすれば、ｔａｎθ＝ｈ／Ｌが成り立つ。

したがって、図３（ｂ）に示すように、リレーレンズ３００Ａとルーフプリズム４０１を隔てるＹ方向の距離を、図３（ａ）よりも若干大きくして、ルーフプリズム４０１の頂点と中間像５００ＡのＸ方向の距離であるＬを小さくすれば、ルーフプリズム４０１の頂点と中間像５００ＡのＹ方向の距離であるｈも小さくすることができる。そのため、図２（ｂ）に示すように、スクリーンＳＣ上の表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを隔てるＹ方向の距離を、図２（ａ）よりも小さくすることができる。

理論的には、ルーフプリズム４０１の頂点と中間像５００ＡのＸ方向の距離であるＬをゼロに近づければ近づけるほど、スクリーンＳＣ上の表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを隔てるＹ方向の距離をゼロに近づけることができる。

現実的には、ルーフプリズム４０１の頂点と中間像５００ＡのＸ方向の距離を完全にゼロにする必要はない場合もあり、それは以下の理由による。一般に、光変調素子においては、各画素の開口部どうしが隙間なく隣接しているわけではない。例えば液晶素子であれば、画素配線や駆動トランジスタにより画素の開口どうしは隔てられており、この開口どうしを隔てる部分は光学的にマスクされている。また、例えばＤＬＰ素子であれば、各画素の反射面を独立して動作可能にするために、反射面と反射面の間には隙間が設けられている。この隙間部分に照射された照明光は、表示画像の一部として投射されることはない。このように、スクリーンＳＣに拡大投射される表示画像の画素間には、微視的には黒色の帯あるいは格子が存在する。

そこで、図２（ａ）において、中間像５００Ａと中間像５００Ｂを隔てる２×ｈの距離をゼロにしなくても、２×ｈと中間像の画素間に存する黒色の帯あるいは格子の幅との差が顕著ではないレベルまでリレーレンズの位置を調整すれば、観察者にとって表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂの境界は目立たなくなるのである。

以上説明したように、本実施形態の投射型表示装置１では、ルーフプリズム４０１を挟んで透過型光変調素子２０１Ａと透過型光変調素子２０１Ｂを配置し、各々の透過型光変調素子とルーフプリズムの間には、中間像を結像するためのリレーレンズを設ける。各々のリレーレンズが結像する中間像が、ルーフプリズムの頂点近傍において投射レンズ６００の光軸ＬＸに対して対称に配置されるように、予め透過型光変調素子、ルーフプリズム、リレーレンズの相対位置関係を調整し、投射型表示装置１のフレームあるいは筐体等に各光学素子を固定しておく。不図示ではあるが、透過型光変調素子２０１Ａとリレーレンズ３００Ａをユニットとしてみた時、当該ユニットのルーフプリズムに対する相対位置および姿勢（垂直方向、水平方向、回転方向）を調整するための調整機構を設けておくのが望ましい。同様に、透過型光変調素子２０１Ｂとリレーレンズ３００Ｂをユニットとしてみた時、当該ユニットのルーフプリズムに対する相対位置および姿勢（垂直方向、水平方向、回転方向）を調整するための位置決め機構を設けておくのが望ましい。

そして、透過型光変調素子２０１Ａから出射した表示光および透過型光変調素子２０１Ｂから出射した表示光を、ルーフプリズム４０１を用いて全反射させ、ロスなく投射レンズ６００の方向に偏向する。

係る構成を有する本実施形態の投射型表示装置は、２つの光変調素子からの表示画像をスクリーン上に隣り合わせて表示するが、あらかじめ２つの中間像の位置、大きさ、傾き、合焦状態が整合されている。このため、オペレータは、例えばズーム倍率や画像全体の合焦の調整を行う必要がある時に、投射レンズ６００のみを調整すればよく、従来のように２つの光変調素子それぞれの投射光学系を個別に調整する必要がない。また、投射レンズが１本で済むため、投射型表示装置の小型化や低コスト化を実現することができる。

尚、スクリーンＳＣは、投射型表示システムの構成要素として、投射型表示装置１と常にセットで用いてもよいが、本発明の実施形態はそれに限られるわけではない。上述したように、実施形態に係る投射型表示装置１は、表示画像を光学的に調整する際の操作が簡単なので可搬用途にも適しており、例えばスクリーンを設置していない建築物の壁など、任意の場所の任意の面に容易に表示画像を投射することができる。

次に、比較例を挙げて、実施形態１の比較例に対する長所を説明する。尚、比較例の構成要素の中で実施形態１の構成要素と機能が共通するものについては、実施形態１と同じ参照番号を付して図示し、説明を省略するものとする。

［比較例１］
図４（ａ）は、比較例１としての投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。比較例１は、透過型光変調素子２０１Ａと透過型光変調素子２０１Ｂを用いて照明光を変調し、両方の光変調素子により変調された表示光を一つの投射レンズ６００を用いてスクリーンＳＣに投射する点で、実施形態１と共通する。

ただし、実施形態１はルーフプリズム４０１を備え、２つの光変調素子から出射した表示光をルーフプリズム４０１の２面で全反射させて投射レンズ６００の方向に偏向させたのに対して、比較例１は、ルーフプリズム４０１ではなく偏光ビームスプリッタ８００を用いて２つの光変調素子から出射した表示光を投射レンズ６００の方向に導いている。

比較例１では、まず偏光ビームスプリッタ８０３を用いて、照明光をＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離させる。すなわち、偏光ビームスプリッタ８０３は、誘電体多層膜が形成された対角面において、Ｓ偏光を選択的に反射してＰ偏光を選択的に透過させる光学素子である。照明光のうち、反射されたＳ偏光成分はミラー８０２を経由して透過型光変調素子２０１Ｂに導かれ、透過したＰ偏光成分はミラー８０２を経由して透過型光変調素子２０１Ａに導かれる。

透過型光変調素子２０１Ａで変調されたＰ偏光の表示光と、透過型光変調素子２０１Ｂで変調されたＳ偏光の表示光は、異なる方向から偏光ビームスプリッタ８００に入射する。偏光ビームスプリッタ８００は、誘電体多層膜が形成された対角面において、Ｐ偏光を選択的に透過させてＳ偏光を選択的に反射させる光学素子である。したがって、透過型光変調素子２０１Ａからの表示光は偏光ビームスプリッタ８００を透過して投射レンズ６００に向けて進み、透過型光変調素子２０１Ｂからの表示光は偏光ビームスプリッタ８００の対角面で反射されて投射レンズ６００に向けて偏向される。透過型光変調素子２０１Ａ、透過型光変調素子２０１Ｂ、偏光ビームスプリッタ８００の相対位置を適宜調整しておけば、２つの光変調素子からの表示画像を隣り合わせて表示することができる。

比較例１と実施形態１について、スクリーンＳＣ上に表示される画面サイズが同等になる条件でカラー画像表示を行い、画質を比較したところ、実施形態１に比べて比較例１は色むらが大きく、画質が劣っていた。それは、以下の理由による。

比較例１と実施形態１とは、同じ投射レンズ６００を用いているが、先に述べたように例えば投射レンズ６００のＦナンバーがＦ２．５であれば、光束角度は±１２度である。
偏光ビームスプリッタ８００の対角面と表示光の主光線の成す角度を４５度に設定した場合には、偏光ビームスプリッタ８００の対角面に入射する光束の入射角度は、３３度～５７度の範囲となる。

ところで、偏光ビームスプリッタのＳ／Ｐ分離能が、入射角度と波長に依存して変化することはよく知られている。図４（ｂ）に、比較例１に用いた偏光ビームスプリッタ８００の分光特性を示すが、グラフからＳ偏光とＰ偏光の分離能は、入射角と波長に依存して変化しているのがわかる。光軸に相当する入射角４５度についてみれば、可視波長域のほぼ全域で、Ｐ偏光の透過率は高く、Ｓ偏光の透過率は低い（つまり反射率は高い）のがわかる。

しかし、入射角３３度においては、Ｐ偏光は可視波長域内の長波長側で透過率が低下し、Ｓ偏光は可視波長域内の短波長側で透過率が高く（つまり反射率が低く）なっているのがわかる。これは、透過型光変調素子２０１Ａから偏光ビームスプリッタ８００に入射角３３度で入射する表示光は長波長成分がロスし、透過型光変調素子２０１Ｂから入射角３３度で入射する表示光は短波長側が大きくロスすることを意味する。

また、入射角５７度についてみても、可視波長域内におけるＰ偏光とＳ偏光の分光特性がアンバランスであるため、透過型光変調素子２０１Ａ側の表示光と透過型光変調素子２０１Ｂ側の表示光を比べると、偏光ビームスプリッタ８００でロスが発生する波長域が異なっている。

以上の事から、比較例１の投射型表示装置では、偏光ビームスプリッタ８００で上述したアンバランスなロスが発生するため、実施形態１に比べて照明光の利用効率が低下するだけでなく、隣り合わせて投射される２画面の表示画像間の色バランスが不良であった。すなわち、実施形態１の投射型表示装置の方が、表示画像の画質が優れていた。

［比較例２］
図５（ａ）は、比較例２としての投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。比較例２は、透過型光変調素子２０１Ａと透過型光変調素子２０１Ｂを用いて照明光を変調し、両方の光変調素子により変調された表示光を一つの投射レンズ６００を用いてスクリーンＳＣに投射する点で、実施形態１および比較例１と共通する。

比較例１では、偏光ビームスプリッタ８００を用いて２つの光変調素子から出射した表示光を投射レンズ６００の方向に導いていたのに対して、比較例２では偏光ビームスプリッタ８００の代わりにハーフミラー８０４を用いて２つの光変調素子から出射した表示光を投射レンズ６００の方向に導く。すなわち、透過型光変調素子２０１Ａからの表示光の半分がハーフミラー８０４を透過して投射レンズ６００に向けて進み、透過型光変調素子２０１Ｂからの表示光の半分がハーフミラー８０４で反射されて投射レンズ６００に向けて偏向される。透過型光変調素子２０１Ａ、透過型光変調素子２０１Ｂ、ハーフミラー８０４の相対位置を適宜調整しておけば、透過型光変調素子２０１Ａからの表示画像７０１Ａと透過型光変調素子２０１Ｂからの表示画像７０１Ｂを、隣り合わせて表示することができる。

比較例２ではハーフミラー８０４を用いるため、比較例１で用いる偏光ビームスプリッタ８００と異なり、透過型光変調素子２０１Ａ側の表示光と透過型光変調素子２０１Ｂ側の表示光で分光特性にアンバランスが生じることは抑制できる。

しかしながら、透過型光変調素子２０１Ａからの表示光の半分はハーフミラー８０４にてＹ方向に反射され、透過型光変調素子２０１Ｂからの表示光の半分はハーフミラー８０４にてＹ方向に透過し、これらはいずれも投射レンズ６００には向かわないので表示に活用されない損失光となる。

したがって、比較例２と実施形態１について、スクリーンＳＣ上に表示される画面サイズが同等になる条件でカラー画像表示をしたところ、照明光の強度を同一にする条件の下では、実施形態１に比べて比較例２は表示画像の輝度が大幅に低下した。また、表示画像の輝度を同一にする条件の下では、比較例２は照明光の強度を大幅に増大させる必要があり、比較例２は実施形態１に比べて消費電力が大幅に増加した。

以上の事から、比較例２の投射型表示装置では、ハーフミラー８０４で上述したロスが発生するため、実施形態１に比べて照明光の利用効率が極めて低くなっていた。すなわち、実施形態１の投射型表示装置の方が、電力効率が優れていた。

［比較例３］
図５（ｂ）は、比較例３としての投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。比較例３は、透過型光変調素子２０１Ａと透過型光変調素子２０１Ｂを用いて照明光を変調し、両方の光変調素子により変調された表示光を一つの投射レンズ６００を用いてスクリーンＳＣに投射する点で、実施形態１および他の比較例と共通する。

比較例３では、透過型光変調素子２０１Ｂからの表示光を投射レンズ６００の方向に偏向するための全反射ミラー８０５を設けるが、透過型光変調素子２０１Ａからの表示光は光学素子を経由させずに投射レンズ６００に入射させる。透過型光変調素子２０１Ａ、透過型光変調素子２０１Ｂ、全反射ミラー８０５の相対位置を適宜調整しておけば、透過型光変調素子２０１Ａからの表示画像７０２Ａと透過型光変調素子２０１Ｂからの表示画像７０２Ｂを、隣り合わせて表示することができる。

比較例３では、比較例１のような偏光ビームスプリッタ８００に起因した色むらの発生や、比較例２のようなハーフミラー８０４に起因した光量損失の発生は、抑制され得る。しかしながら、比較例３では、透過型光変調素子２０１Ａからの表示画像７０２Ａと透過型光変調素子２０１Ｂからの表示画像７０２Ｂの境界近傍の輝度が低下するために、画面の境界が目立つという問題が生じた。

というのも、表示画像７０２Ａと表示画像７０２Ｂをスクリーン上で隣接させようとすると、表示画像７０２Ａからの表示光の光軸を全反射ミラー８０５の端に一致させるとともに、表示画像７０２Ｂからの表示光の光軸を全反射ミラー８０５の端に一致させる必要がある。先に述べたように例えば投射レンズ６００のＦナンバーがＦ２．５であれば、光束は±１２度の角度範囲から入射し、しかも全反射ミラー８０５は厚みを有している。このため、全反射ミラー８０５の端部付近においては、透過型光変調素子２０１Ｂからの表示光の一部が全反射ミラー８０５で反射されなかったり、透過型光変調素子２０１Ａからの表示光の一部が全反射ミラー８０５により遮蔽されたりして、ロスが生じるのである。

以上の事から、比較例３の投射型表示装置では、全反射ミラー８０５の端部付近において上述したロスが発生するため、実施形態１に比べて画面の境界が目立っていた。すなわち、実施形態１の投射型表示装置の方が、表示画像の画質が優れていた。

［実施形態２］
実施形態１では、透過型光変調素子、ルーフプリズム、リレーレンズの相対位置関係を予め機械的に調整することで、隣り合う表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂの画面の境界は目立たなくしていた。すなわち、各々の透過型光変調素子から出射された表示画像の端部がルーフプリズムの頂点にできるだけ近接するように、各光学素子の相対位置関係を機械的に調整していた。

実施形態２では、機械的に必要とされる調整精度を緩和するため、光変調素子の変調エリアサイズを表示画像エリアサイズよりも大きくし、サイズ的に冗長性を持たせておく。そして、変調エリアがカバーする領域内に、ルーフプリズムの頂点が包含されるように、透過型光変調素子、ルーフプリズム、リレーレンズの相対位置関係を機械的に調整する。この時に必要な機械的な調整精度は、実施形態１よりも緩いものでよい。そして、機械的な調整結果に基づいて光変調素子の駆動を電気的に補正する。すなわち、変調エリア内における表示画像の位置を、機械的な調整結果に基づいて補正する。

まず、図２（ｂ）に示したスクリーンＳＣ上の表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを、Ｙ方向に沿って隙間なく隣接させるための水平方向位置の調整方法を説明する。
図６は、実施形態２に係る調整方法を説明するための模式図で、透過型光変調素子２０１Ａ、リレーレンズ３００Ａ、ルーフプリズム４０１、および中間像５００Ａの位置関係が、図の中央に示されている。また、図の右側のエリア４Ａには、透過型光変調素子２０１Ａをリレーレンズ３００Ａ側から見た平面図が示され、図の上側のエリア４Ｂには、中間像５００Ａをルーフプリズム４０１側から見た平面図が示されている。尚、透過型光変調素子２０１Ｂ、リレーレンズ３００Ｂ、および中間像５００Ｂについては図示と説明を省略するが、以下の説明を参酌のうえ、投射レンズの光軸に対して対称に配置されていると考えれば、容易に理解できるであろう。

エリア４Ａに示されるように、透過型光変調素子２０１Ａは、表示する画像の水平サイズＤＸよりも大きな変調エリアＭＸを備えている。そして、透過型光変調素子２０１Ａからリレーレンズ３００Ａを経て照射される光束の範囲内に、ルーフプリズム４０１の頂点が包含されるように、透過型光変調素子２０１Ａ、リレーレンズ３００Ａ、ルーフプリズム４０１の位置関係を調整する。すると、リレーレンズ３００Ａを経た光束のうち、ルーフプリズム４０１の頂点よりもＸ方向を通過する光線は、ルーフプリズム４０１で反射されることはない。そこで、まさにルーフプリズム４０１の頂点に表示画像の水平端が位置するように、透過型光変調素子２０１Ａの変調エリアＭＸ内における画像表示位置を補正する。具体的には、透過型光変調素子２０１Ａを駆動するための画像信号において、水平同期信号を基準にして、表示を行わない水平ブランキング期間の長さを調整し、変調エリアＭＸ内に適宜の幅の非表示領域ＢＬＨを設定する。これにより、ルーフプリズム４０１の頂点に照射される位置に表示画像の水平端が位置することになり、図２（ａ）のように表示画像が水平方向に離れることなく、図２（ｂ）のように２画面の画像を水平方向に隣接させることができる。尚、透過型光変調素子２０１Ａの非表示領域ＢＬＨから出射される光は、図６に示したようにルーフプリズム４０１で反射されることはないが、投射型表示装置内における迷光を防止するために、非表示領域ＢＬＨは表示画像における黒と同一の輝度レベルになるよう照明光を変調し、光変調素子から光が出射しないように制御するのが望ましい。

本実施形態では、光変調素子は、変調エリアＭＸと表示画像の水平サイズＤＸの差分に相当する冗長性を有しており、水平方向の画像表示位置を調整できるため、機械的な位置調整の要求精度が緩和されている。

次に、図２（ｂ）に示した表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂが、スクリーンＳＣ上でＺ方向にずれないように垂直方向位置を調整する方法を説明する。
図７は、実施形態２に係る調整方法を説明するための図で、ルーフプリズム４０１と中間像５００Ａおよび中間像５００Ｂの位置関係が、図の下部に示されている。また、図の上側のエリア５Ａには、中間像５００Ａと中間像５００Ｂをルーフプリズム４０１側から見た平面図が示されている。

エリア５Ａに示された中間像からわかるように、透過型光変調素子２０１Ａおよび透過型光変調素子２０１Ｂは、表示する画像の垂直サイズＤＺよりも大きな変調エリアＭＺを備えている。すなわち、光変調素子は、変調エリアＭＺと表示画像の垂直サイズＤＺの差分に相当する冗長性を有している。透過型光変調素子２０１Ａと透過型光変調素子２０１Ｂの位置調整がＺ方向にずれていた場合には、各々の変調エリア内における画像表示位置を補正する。具体的には、透過型光変調素子２０１Ａを駆動するための画像信号において、垂直同期信号を基準にして、表示を行わない垂直ブランキング期間を設定し、変調エリアＭＺ内に非表示領域ＢＬＶＡを設定する。同様に、透過型光変調素子２０１Ｂを駆動するための画像信号において、垂直同期信号を基準にして、表示を行わない垂直ブランキング期間を設定し、変調エリアＭＺ内に非表示領域ＢＬＶＢを設定する。非表示領域ＢＬＶＡと非表示領域ＢＬＶＢの位置と大きさを、光変調素子のＺ方向の位置ずれに応じて調整することにより、中間像５００Ａと中間像５００ＢのＺ方向の位置を合わせることができる。尚、非表示領域ＢＬＶＡと非表示領域ＢＬＶＢについては、表示画像における黒と同一の輝度レベルになるよう照明光を変調し、光変調素子から光が出射しないように制御する。

本実施形態では、光変調素子は、変調エリアＭＺと表示画像の垂直サイズＤＺの差分に相当する冗長性を有しており、垂直方向の画像表示位置を調整できるため、機械的な位置調整の要求精度が緩和されている。

尚、表示画像の水平方向と垂直方向の両方について光変調素子に冗長性を持たせてもよいし、いずれか一方だけに冗長性を持たせてもよい。冗長性を持たせた方向について、光変調素子の機械的な位置調整の要求精度を緩和させることができる。

［実施形態３］
実施形態１～実施形態２では、透過型光変調素子を用いて投射型表示装置を構成する例を示したが、本発明は、反射型光変調素子を用いて実施することも可能である。すなわち、マイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤや反射型液晶デバイスのような反射型光変調素子を用いて、実施形態１～実施形態２に対応する投射型表示装置を構成することも可能である。

図８は、実施形態３にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。投射型表示装置は、反射型光変調素子２００Ａおよび反射型光変調素子２００Ｂを備えている。例えばレーザダイオードやＬＥＤ等の発光素子を備えた光源装置１００が発する照明光は、ハーフミラー１９０により半分が反射されて、反射型光変調素子２００Ａに入射する。画像信号に応じて変調された照明光は、リレーレンズ３００Ａに向けて表示光として反射される。一方、ハーフミラー１９０を透過した半分の照明光は、全反射ミラー１９１を経て、反射型光変調素子２００Ｂに入射する。画像信号に応じて変調された照明光は、リレーレンズ３００Ｂに向けて表示光として反射される。そして、リレーレンズ、ルーフプリズム、投射レンズは、透過型光変調素子を用いた実施形態１～実施形態２と同様の作用効果を奏することができるが、ここでは重複する説明は省略する。

反射型光変調素子を用いて構成される本実施形態の投射型表示装置も、２つの光変調素子からの表示画像をスクリーン上に隣り合わせて表示するが、あらかじめ中間像相互の位置、大きさ、傾き、合焦状態が整合されている。このため、オペレータは、例えばズーム倍率や画像全体の合焦の調整を行う必要がある時に、投射レンズのみを調整すればよく、従来のように２つの光変調素子それぞれの投射光学系を調整する必要がない。

［実施形態４］
実施形態１にて説明したように、ルーフプリズムの頂角αは、例えば９０度とすることができるが、９０度以外であっても、６０度以上で９０度以下の範囲内であれば好適に光学系を構成することが可能である。
図９は、実施形態３と同様に反射型の光変調素子を備えるが、頂角αが９０度ではなく６０度のルーフプリズム４０２を備えた実施形態４にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。

ルーフプリズムの頂角αが９０度の実施形態３では、リレーレンズを通る主光線が、ルーフプリズムの反射面に入射する入射角を４５度に設定していた。これに対して、本実施形態では、ルーフプリズム４０２の頂角αを６０度とし、リレーレンズ３００Ａ（及びリレーレンズ３００Ｂ）の光軸ＬＡ（及び光軸ＬＢ）を通る主光線が、ルーフプリズム４０２の反射面に入射する入射角を６０度に設定した。また、本実施形態では、反射型光変調素子に照明光を導くのに、実施形態３とは異なり全反射ミラー１９１を用いずにハーフミラー１９０のみで導いている。

このように、ルーフプリズムの頂角αを６０度以上で９０度以下の範囲内において適宜に設定することにより、リレーレンズの光軸ＬＡおよび光軸ＬＢと、投射レンズ６００の光軸ＬＸとが交差する角度を、９０度から適宜ずらすことができる。投射型表示装置内における光学素子のレイアウトが変更できるため、投射型表示装置のＹ方向の外寸を小型化したり、投射型表示装置内の冷却構造を最適化することができる。

［実施形態５］
図１０は、実施形態５にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。
本実施形態では、投射レンズとして、レンズ６０１とフィールドレンズ６０２を備えたフィールドレンズ型投射レンズを用いている。この場合、リレーレンズの中間像５００Ａおよび中間像５００Ｂの位置が、凸レンズであるフィールドレンズ６０２の内部になるように、ルーフプリズム、リレーレンズ、光変調素子を配置することができる。尚、光変調素子は、透過型光変調素子でも反射型光変調素子でもよい。
中間像を凸レンズの内部に配置することにより、投射レンズにおける収差の補正量を軽減することができるため、投射レンズを構成するレンズ枚数を削減することができ、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

［実施形態６］
以上の実施形態１～実施形態５では、リレーレンズによる中間像が投射レンズの光軸と直交する平面上に結像される例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限られるわけではなく、中間像の結像面を湾曲させたり、中間像の結像面が投射レンズの光軸とは直交しないように傾けたりすることができる。

例えば、図１１（ａ）は、実施形態５にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。ルーフプリズム４０１の反射面４０１ＲＡと反射面４０１ＲＢを、平坦面ではなく曲面形状にし、中間像５００Ａの結像面と中間像５００Ｂの結像面をそれぞれ湾曲させている。そして、中間像５００Ａと中間像５００Ｂが投射レンズ６００の光軸ＬＸ付近にて球面Ｒに沿ってスムーズに隣接するように、リレーレンズ３００Ａの光軸ＬＡとリレーレンズ３００Ｂの光軸ＬＢをそれぞれＹ方向に対して傾斜させている。尚、図１１（ａ）においては、反射面４０１ＲＡと反射面４０１ＲＢの曲面形状と、光軸ＬＡと光軸ＬＢの傾斜は簡単に図示されており、厳密に図示されているわけではない。尚、中間像の結像面を湾曲させるには、リレーレンズの設計を変更し、収差を意図的にコントロールすることにより結像面を湾曲させてもよい。

このように、中間像５００Ａの結像面と中間像５００Ｂの結像面を湾曲させて、球面に近似して接続するように配置した本実施形態の投射型表示装置では、投射レンズ６００の像面湾曲収差の影響を小さくできるため、実施形態１～実施形態５に比べて投射される表示画像の画質を向上することができる。あるいは、投射される表示画像の像面湾曲収差が実施形態１～実施形態５と同等で可とするなら、本実施形態では投射レンズ６００における像面湾曲補正が軽度で済むため、投射レンズ６００を構成するレンズの枚数を削減することが可能となり、装置の小型軽量化や低コスト化につながる。

また、図１１（ｂ）は、実施形態５の別の例にかかる投射型表示装置の光学的な構成を示す模式図である。図１１（ａ）の例では、ルーフプリズム４０１の反射面４０１ＲＡと反射面４０１ＲＢの形状を曲面形状にしたが、図１１（ｂ）では、反射面は平坦面のままリレーレンズの中間像の結像面が投射レンズの光軸とは直交しないようにしている。この例では、中間像５００Ａと中間像５００Ｂのそれぞれの結像面は平坦であるが、投射レンズ６００の光軸ＬＸから遠い位置ほど結像面が投射レンズ６００に近づくように傾斜させている。すなわち、図１１（ｂ）において、中間像５００Ａと中間像５００Ｂの結像面は、投射レンズの光軸ＬＸを対称軸としてＶ字型になるよう配置されている。中間像をこのように配置するためには、リレーレンズ３００Ａの光軸ＬＡとリレーレンズ３００Ｂの光軸ＬＢをそれぞれＹ方向に対して傾斜させるか、あるいはルーフプリズム４０１の頂角αをより大きくするか、あるいはその両方を行うかすればよい。

図１１（ｂ）の例は、ルーフプリズム４０１の反射面を曲面にする必要がないため、図１１（ａ）例よりもルーフプリズムの製造が簡単である。この例でも、中間像５００Ａと中間像５００Ｂのそれぞれの結像面は、投射レンズ６００の光軸ＬＸから遠い位置ほど結像面が投射レンズ６００に近づくため、投射レンズ６００の像面湾曲収差の影響を小さくすることができ、実施形態１～実施形態４に比べて投射される表示画像の画質を向上することができる。あるいは、投射される表示画像の像面湾曲収差が実施形態１～実施形態５と同等で可とするなら、本実施形態では投射レンズ６００における像面湾曲補正が軽度で済むため、投射レンズを構成するレンズの枚数を削減することが可能となり、装置の小型軽量化や低コスト化につながる。

［その他の実施形態］
本発明の実施は、上述した実施形態や具体的な実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。上述した各実施形態は、単独で実施してもよいし、一つの投射型表示装置において複数の実施形態を組合わせて実施してもよい。

２つの光変調素子に入力する画像信号は、単一の画像を分割した分割画像でもよいし、全く別の画像でもよい。画像信号の供給源は、単一のコンピュータでもよいし、別のコンピュータでもよい。

例えば、図１２（ａ）に示すように、別々のコンピュータから入力される画像信号を、投射型表示装置内の別々の光変調素子に入力し、表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを水平に並べて投射してもよい。

あるいは、図１２（ｂ）に示すように、別々のコンピュータから入力される画像信号を、投射型表示装置内の別々の光変調素子に入力し、表示画像７００Ａと表示画像７００Ｂを垂直に並べて投射してもよい。

１・・・投射型表示装置／１００Ａ、１００Ｂ・・・照明用光源／２００Ａ、２００Ｂ・・・反射型光変調素子／２０１Ａ、２０１Ｂ・・・透過型光変調素子／３００Ａ、３００Ｂ・・・リレーレンズ／４０１・・・ルーフプリズム／４０１ＲＡ、４０１ＲＢ・・・反射面／４０２・・・ルーフプリズム／４０３Ａ、４０３Ｂ・・・板状ミラー／５００Ａ、５００Ｂ・・・中間像／６００・・・投射レンズ／６０２・・・フィールドレンズ／７００Ａ、７００Ｂ、７０１Ａ、７０１Ｂ、７０２Ａ、７０２Ｂ・・・表示画像／８００・・・偏光ビームスプリッタ／８０２・・・ミラー／８０３・・・偏光ビームスプリッタ／８０４・・・ハーフミラー／８０５・・・全反射ミラー／ＢＬＶＡ、ＢＬＶＢ・・・非表示領域／ＢＬＨ・・・非表示領域／ＤＸ・・・表示する画像の水平サイズ／ＤＺ・・・表示する画像の垂直サイズ／ＩＬＡ、ＩＬＢ・・・照明光／ＬＸ・・・投射レンズの光軸／ＭＸ・・・変調エリア／ＭＺ・・・変調エリア／ＳＣ・・・スクリーン

Claims (9)

1. 第１の照明光を画像信号に応じて変調する第１の光変調素子と、
   第２の照明光を画像信号に応じて変調する第２の光変調素子と、
   前記第１の光変調素子により変調された前記第１の照明光を結像して第１の中間像を形成する第１のリレーレンズと、
   前記第２の光変調素子により変調された前記第２の照明光を結像して第２の中間像を形成する第２のリレーレンズと、
   前記第１のリレーレンズから入射する光を全反射する第１反射面と、前記第２のリレーレンズから入射する光を全反射する第２反射面とを備え、前記第１反射面と前記第２反射面により頂角が形成されたルーフ状の反射光学素子と、
   投射レンズと、を備え、
   前記第１の光変調素子により変調された照明光は、前記第１反射面で反射されてから前記第１の中間像を結び、
   前記第２の光変調素子により変調された照明光は、前記第２反射面で反射されてから前記第２の中間像を結び、
   前記投射レンズの光軸は前記反射光学素子の頂角を通り、前記投射レンズは、前記第１の中間像及び前記第２の中間像を並べて拡大投射する、
   ことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記反射光学素子は、ルーフプリズムか、あるいは板状ミラーを組合わせたルーフ状の反射光学素子のいずれかである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記頂角の大きさは、６０度以上かつ９０度以下である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 同一光源が発する光が分割されて前記第１の照明光と前記第２の照明光が形成される、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記投射レンズは、フィールドレンズを備え、
   前記第１の中間像と前記第２の中間像は、前記フィールドレンズの内部に結像される、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記第１の中間像と前記第２の中間像の結像面は、前記投射レンズの光軸と直交する平面に対して、傾斜又は湾曲している、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
7. 前記第１の光変調素子および前記第１のリレーレンズの、前記反射光学素子に対する相対位置および姿勢を調整する調整機構、および／または、
   前記第２の光変調素子および前記第２のリレーレンズの、前記反射光学素子に対する相対位置および姿勢を調整する調整機構、を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
8. 前記第１の光変調素子および前記第２の光変調素子は、表示画像の水平方向について、表示画像エリアよりも大きな変調エリアを備え、
   前記第１の光変調素子と前記反射光学素子との相対位置に応じて、前記第１の光変調素子の変調エリア内における表示画像エリアの水平方向位置を調整し、
   前記第２の光変調素子と前記反射光学素子との相対位置に応じて、前記第２の光変調素子の変調エリア内における表示画像エリアの水平方向位置を調整する、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
9. 前記第１の光変調素子および前記第２の光変調素子は、表示画像の垂直方向について、表示画像エリアよりも大きな変調エリアを備え、
   前記第１の光変調素子と前記反射光学素子との相対位置に応じて、前記第１の光変調素子の変調エリア内における表示画像エリアの垂直方向位置を調整し、
   前記第２の光変調素子と前記反射光学素子との相対位置に応じて、前記第２の光変調素子の変調エリア内における表示画像エリアの垂直方向位置を調整する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
   
   

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