(57)【要約】【課題】透過型スクリーンの薄型化による軽量化，低コスト化を図りながらも、ＬＣＤやＤＬＰを用いたプロジェクタを用いた背面投射型ディスプレイ装置においても、映像のシンチレーションを防止することが可能なプロジェクタの提供。【解決手段】光源と、光源からの光を変調する光変調素子と、光変調素子によって変調された映像光をスクリーン上に投射する投射光学系を有するプロジェクタにおいて、投射光学系内には、光源からの光の位相を時間的に変動させる位相変動手段を備えており、位相変動手段の投影像がスクリーン近傍に結像することを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
光源からの光を変調する光変調素子と、
光変調素子によって変調された映像光をスクリーン上に投射する投射光学系
を有するプロジェクタにおいて、
投射光学系内には、光源からの光の位相を時間的に変動させる位相変動手段を備えており、位相変動手段の投影像がスクリーン近傍に結像することを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
位相変動手段が、光源と光変調素子との間に位置することを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項３】
光変調素子と投射光学系とスクリーンとの光学的な位置関係が略固定されていることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項４】
位相変動手段によって位相変動される光が、時間的な位相変動に加えて、空間的な位相変動を伴うことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項５】
光変調素子の近傍に位相変動手段の投影像が結像する様に配置されており、投射光学系により前記投影像および光変調素子によって変調された映像光がスクリーン近傍に結像することを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項６】
位相変動手段が、時間的に変動する拡散物体であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項７】
位相変動手段が、時間的に変動するプリズムであることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項８】
位相変動手段が、時間的に位相を変調する液晶位相変調素子であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項９】
スクリーンが、透過型スクリーンであることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項１０】
光源の可干渉距離が、０．１７ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項１１】
投射光学系の瞳の大きさをａ，投射光学系の瞳とスクリーンまでの距離をＺとすると、ａ／Ｚ＞１．１５×１０-3の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
位相変動手段によって変動するスクリーン入射時の位相が、スクリーン上の微小間隔をｐとした場合、ｐにおける位相差の最大変動量Δφが、Δφ＞１．１５×１０-3×ｐを満たすことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項１３】
位相変動手段表面に、片面もしくは両面に反射防止処理を施したことを特長とする請求項１記載のプロジェクタ。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れかに記載のプロジェクタからの投射光を背面から入射させ、正面に映像を表示することを特徴とする透過型スクリーン。
【請求項１５】
請求項１〜１３の何れかに記載のプロジェクタと、
プロジェクタから投射された映像光を背面から入射させ、正面に映像を表示する透過型スクリーンと、
を備えたことを特徴とする背面投射型ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタおよび背面投射型ディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過型スクリーンを備えた背面投射型ディスプレイ装置として、リアプロジェクションテレビが知られている。
図１は、リアプロジェクションテレビの側面断面図である。
リアプロジェクションテレビは、光源としてのプロジェクタ１２から映像光を投射し、反射鏡１３，１４により反射させて、略長方形平板状をなす透過型スクリーン２０の背面に映像光を入射させるものである。
【０００３】
図６は、リアプロジェクションテレビの表示画面となる透過型スクリーンの構成例を示す断面図である。
透過型スクリーン２０は、光学機能の異なる２枚のレンズシートを組み合わせて構成されてなり、映像光を略平行光に変換するフレネルレンズ３０が光源側に配置され、映像光を単位レンズごとに発散させるレンチキュラーレンズアレイ（拡散レンズアレイ）４０が観察者側に配置されて構成されている。
これにより、透過型スクリーンの正面に位置する観察者が、透過した映像光を観察しうるようになっている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００４】
プロジェクタについては、高輝度で小型化が要求され、投射レンズの小型化、高Ｆ値化が進んでおり、液晶（ＬＣＤ）プロジェクタや反射型ライトバルブ（ＤＭＤ，ＤＬＰ：テキサス・インスツルメンツ社の商標）等の投射瞳の小さい投影管が用いられるようになっている。
しかしながら、従来の透過型スクリーンでは、このような投射瞳の小さい投影管を用いた場合に、シンチレーションまたはスペックルと呼ばれる映像のちらつきが現れるという問題がある。
シンチレーションは、観察者の視点の変化に伴って映像光の輝度が変化し、画像がぎらついて見える現象である。
【０００５】
シンチレーションやスペックルによる映像のちらつきを防止するために、プロジェクタ本体の変更や付加装置が必要となる。
また、スクリーンの改良により上記ちらつきの解消を図る場合、スクリーン内に拡散剤を多量に添加する場合にはゲインの低下や不必要な解像度の低下が発生するという問題がある。
【０００６】
特許文献３の提案は、「非拡散部を介して互いに離間された複数の拡散部を有し、光源側に位置するレンズシートまたは光学シートの拡散部は、観察側に位置するレンズシートまたは光学シートの拡散部に比べて光の拡散の度合いが小さいことを特徴とする透過型スクリーン。」であり、図６に示す構成例では、フレネルレンズシート３０側の第１拡散部（板）３３とレンチキュラーシート４０側の第２拡散部（板）４３のそれぞれに光拡散性微粒子を分散混合する際、光拡散性微粒子の材質や粒径，周囲のバインダー樹脂との屈折率差，分散量など、種々の設計を行った上、拡散の度合いが所望となる様に制御する必要がある。
【０００７】
近時では、透過型スクリーン２０の薄型化が要求されている。これにより、透過型スクリーン２０を軽量化しなおかつ低コスト化することが可能になり、しかも透過型スクリーン２０の解像度および鮮鋭度を向上させることができるからである。
尚、特許文献４および５では、フレネルレンズのフィルム化が検討されている。
しかしながら、透過型スクリーン２０が薄型化されると、第１拡散板３３や第２拡散板４３の厚さが薄くなり、またフレネルレンズ３０とレンチキュラーレンズアレイ４０との距離が短くなるので、映像のシンチレーションが発生するおそれがある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２３６３１９号公報
【特許文献２】米国特許第６３０７６７５号明細書
【特許文献３】特許第３６０６８６２号公報
【特許文献４】特許第３００２４７７号公報
【特許文献５】実開平１−１１７６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、透過型スクリーンの薄型化による軽量化，低コスト化を図りながらも、ＬＣＤやＤＬＰを用いたプロジェクタを用いた背面投射型ディスプレイ装置においても、映像のシンチレーションを防止することが可能なプロジェクタの提供を主目的とする。
また、表示品質に優れた背面投射型ディスプレイ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明によるプロジェクタは、
光源と、
光源からの光を変調する光変調素子と、
光変調素子によって変調された映像光をスクリーン上に投射する投射光学系
を有するプロジェクタにおいて、
投射光学系内には、光源からの光の位相を時間的に変動させる位相変動手段を備えており、位相変動手段の投影像がスクリーン近傍に結像することを特徴とする。
位相変動手段による変動は、光源からの光の位相を光軸に対して非対称に時間的に変動させることが好ましい。
【００１１】
また、位相変動手段が、光源と光変調素子との間に位置することや、光変調素子と投射光学系とスクリーンとの光学的な位置関係が略固定されることで、画質の低下を防ぐことが出来る。
さらに、位相変動手段によって変動される光が空間的な位相の変動であることや、光変調素子の近傍に位相変動手段の投影像が結像する様に配置されており、投射光学系により前記投影像および光変調素子によって変調された映像光がスクリーン近傍に結像することで、より効率的にシンチレーション低減が可能になる。
【００１２】
位相変動手段は、時間的に変動する拡散物体であっても良く、時間的に変動するプリズムであっても良い。
また、スクリーンの種類が透過型スクリーンであることで、より効果を得ることが可能になる。
さらに可干渉距離が５ｍｍ以上である光源では、シンチレーション低減効果が増大する。
そして前記投射光学系の瞳の大きさをａ，投射光学系の瞳とスクリーンまでの距離をＺとすると、ａ／Ｚ＞１．１５×１０-3の関係を満す場合や、位相変動手段によって変動するスクリーン入射時の位相が、スクリーン上の微小間隔をｐとした場合、ｐにおける位相差の最大変動量Δφが、Δφ＞１．１５×１０-3×ｐを満たすことでより効果的なシンチレーション低減効果を発揮できる。
この構成によれば、プロジェクタから投射される映像光の輝度を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる
【発明の効果】
【００１３】
本発明のプロジェクタでは、
投射光学系内には、光源からの光の位相を時間的に変動させる位相変動手段を備えており、位相変動手段の投影像がスクリーン近傍に結像することにより、スクリーンに入射する投影光の位相を高速で変化させることが可能になり、映像のシンチレーションを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態につき、図面を参照しながら詳細に説明する。
（背面投射型ディスプレイ装置）
図１は、背面投射型ディスプレイ装置の一例であるリアプロジェクションテレビの側面断面図である。
図１に示すリアプロジェクションテレビ１０は、映像光を投射するプロジェクタ１２と、映像光を反射する反射鏡１３，１４と、映像光を背面から入射させ正面に映像を表示する透過型スクリーン２０と、透過型スクリーン２０の正面を外部に露出させつつ全体を覆う筐体１１とを主として構成されている。
図２は、三板式プロジェクタの概略構成図である。
このプロジェクタ１１２は、高圧水銀ランプ等の白色光源１１０を備えている。その光源１１０の下流側に、レンズアレイ等からなるインテグレータ１１５が配設されている。インテグレータ１１５は、その下流側に配置された液晶ライトバルブ１３６，１４６，１５６の光変調領域を均一に照明するものである。そのインテグレータ１１５の下流側に、青色光１３０のみを透過する青色光分光ミラー１３２、緑色光１４０を反射し赤色光を透過する緑色光分光ミラー１４２、および赤色光１５０を反射する赤色光分光ミラー１５２が順に設けられて
いる。
【００１５】
青色光分光ミラー１３２の下流側には、青色光１３０を平行光に変換する平行光変換レンズ１３４と、青色光１３０を変調して青色映像光を作成する光変調素子としての青色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「青色光用ＬＶ」という。）１３６と、青色光を反射する青色光集光ミラー１３８とが設けられている。同様に、緑色光分光ミラー１４２の下流側には、平行光変換レンズ１４４と、緑色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「緑色光用ＬＶ」という。）１４６と、緑色光を反射し青色光を透過する緑色光集光ミラー１４８とが設けられている。赤色光分光ミラー１５２の下流側には、平行光変換レンズ１５４と、赤色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「赤色光用ＬＶ」という。）１５６と、赤色光１５０のみを透過する赤色光集光ミラー１５８とが設けられている。
そして、各色光集光ミラー１３８，１４８，１５８の下流側には、映像光を拡大投射する投射レンズ１６０が設けられている。
【００１６】
本発明では、プロジェクタ１１２には、光学系上に光学系からの光の位相を時間的に変動させる手段をもつ。
位相変動手段として、時間的に回転もしくは振動する拡散板や、回転もしくは変動するプリズムやレンズ、液晶などの位相変調素子などがある。
変動手段が回転する場合、回転軸と光軸が一致しても良いが、回転中心の位相変動が少なくなるため、光軸と異なる位置に回転中心に配置することが望ましい。
【００１７】
位相変動手段は、投射光学系などの光学系によってスクリーン近傍に結像される位置に配置される。
何故なら、シンチレーションの低減では、スクリーン上での位相変化が大きいほど効果が大きいため、位相変調手段の実像からスクリーンがはなれるほどその効果は小さくなる。スクリーンと位相変調手段の像位置が完全に一致する必要はなく、位相変調効果が十分に現れればよい。スクリーン位置より、スクリーン面から垂直な方向に±３０ｃｍ程度の範囲内に入っていれば効果があらわれ、スクリーン位置よりスクリーン面から垂直な方向に±１０ｃｍ程度の範囲内に入っていればその効果は明確になる。より位相変調手段の実像からスクリーンが近づき±５ｃｍの範囲に入れば、変動手段の変動スピードが遅くても十分なシンチレーション低減効果を得ることが出来、システムの小型化、低騒音化などに有効である。
【００１８】
位相変動手段が、光源と光変調素子の間にある場合、プロジェクタの結像特性の劣化が小さくなるため、ボケの少ない解像度のよい画像を観察することが可能になる。また、光変調素子と投射光学系とスクリーンの相対的な固定されることで、より振動に強く解像度の良い映像が観察できる。
【００１９】
シンチレーションは、透過型スクリーンにおいてより強く生じる。これは、透過型スクリーンが反射型スクリーンより拡散性が小さいためである。本発明は、この透過型スクリーンの拡散性の少なさを補う方法であるため、より高い効果がえられる。
【００２０】
位相変動手段によって、投射光学系の瞳より入射光が大きく変動した場合、瞳より大きく変動した光は吸収され光の利用効率を落としてしまう。そのため、位相変調手段による光線の変動が投射光学系の瞳より小さいことが望ましい。位相変動のない場合と比較して、位相変動があった場合、その光量は７０％以上あることが望ましい。また、光量低下を防ぐために、変動要素の表面に反射防止処理を施すことが望ましい。しかしながら変動量が小さいとシンチレーション低減も効果も小さくなることから、投射光学系の瞳は大きい方がシンチレーション低下の効果がある。
【００２１】
投射光学系の望ましい瞳の大きさは次のように求められる。
観察者がスクリーンから１ｍの距離で画面を観察し、観察者の目の瞳の大きさを４ｍｍとした場合、目の瞳の大きさの回折限界から、少なくともスクリーン上の直径０．１７ｍｍの大きさの面積を観察していることになる。そこで、この０．１７ｍｍの範囲内の光に可干渉性を持つとすると、観察者の網膜の干渉パターンによってシンチレーションが生じる。このスクリーン上のＲ＝０．１７ｍｍの範囲の可干渉性は、次のようによって求められる。
投射光学系の瞳からスクリーンまでの距離をＺ，光源の波長をλ，投射光学系の瞳の大きさをaとすると、コヒーレンス度γ（Ｒ）は、
【００２２】
【数１】
2008015310.tif 000003
【００２３】
で、表わされる。なおＪ１は、１次のベッセル関数を示す。
λを５００ｎｍ，Ｒ＝０．１７ｍｍとしたとき、干渉パターンのコントラストを示すγを０．５以下にするためには、ａ／Ｚが１．１５×１０-3以上である必要がある。
なお、この例はスクリーンに対して投射光学系の瞳が固定されている場合を示しているが、投射光学系の瞳とスクリーンまでの距離の関係がａ／Ｚが１．１５×１０-3以下であっても、時間的に瞳位置が変動する場合や、複数の瞳をもった場合でも、光学的にスクリーンへの入射光の見込角が１．１５×１０-3以上となれば良い。
このことは、変動手段によって変動するスクリーン入射時の位相が、スクリーン上の微小間隔をｐとした場合、ｐにおける位相差の最大変動量Δφが、Δφ＞１．１５×１０-3×ｐを満たすことを示している。
【００２４】
（具体的な構成）
次に、第１実施形態のプロジェクタを用いた映像投射方法について、図３を用いて説明する。
光源から投射された光は、レンズＬ１に入射する。
Ｌ１を透過した光は、位相変動手段である拡散板に入射する。
拡散板に入射した光は、レンズＬ２及びＬ３を透過後、高温ポリシリコン液晶など光変調素子に入射する。
このとき、レンズＬ２の焦点距離をｆ２，レンズＬ３の焦点距離をｆ３とすると、レンズＬ２とレンズＬ３の距離をＬ２＋Ｌ３とし、Ｌ２の後焦点位置に拡散板を配置し、Ｌ３の前焦点位置に光変調素子を配置する４ｆ光学系とする。
【００２５】
この配置では、位相変調手段である拡散板が空間変調素子上に結像する。
光変調素子を透過した光は、投射光学系によってスクリーン上に結像する。
拡散板は回転する構造となっており、拡散板を透過する光の位相を変動させることが出来る。
拡散板による位相の変動は、拡散板の像がスクリーン近傍に結像することによって、スクリーン上での位相変動を生じさせる。
スクリーン上での位相変動は、つまりスクリーンに入射する光の方向を微小に変化させることに相当するため、高速にシンチレーションパターンが変動し、その結果、観察者には、シンチレーションが低減して観察される。
拡散板の結像位置とスクリーンとの距離が小さければ、小さな拡散板の移動でも大きなスクリーン上の位相変動を生じさせることが出来るため、拡散板の回転速度は２０Ｈｚよりも低速で良い。
【００２６】
尚、本実施形態では、光変調素子として高温ポリシリコン液晶を挙げたが、ＤＭＤやＬＣＯＳなどの様々な空間変調素子を用いても良い。
また、ここでは拡散板として透光性の拡散板について説明したが、反射型のものでも良く、微小レンズが並んだものでも良い。
拡散板の拡散性を生じさせる構造物物は細かいほどその効果が高く、その平均的な構造物のサイズは０．１μｍから１００μｍであることが望ましい。
位相変調手段として拡散板を用いた場合、その変動手段として回転を用いる場合、拡散板の回転軸と光軸は一致しない方が望ましい。
また、本実施例では、回転による位相変動を用いたが、ピエゾ素子などによる振動による変動を用いても構わない。
【００２７】
本実施形態のように、４ｆの光学系を用いると、光変調素子から射出した光は、光軸にほぼ平行になるため、プロジェクタの投射光学系によく用いられるテレセントリック光学系では効率が向上する。しかしながら、４ｆ光学系に限らず、位相変動手段がスクリーン近傍に結像することによってシンチレーション低減の効果は得られる。
【００２８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のプロジェクタを用いた映像表示方法について、図４を用いて説明する。
光源から投射された光は、レンズＬ１に入射する。Ｌ１を透過した光は、位相変動手段であるプリズムに入射する。プリズムに入射した光は、レンズＬ２を透過後、高温ポリシリコン液晶など光変調素子に入射する。このとき、位相変調手段であるプリズムが空間変調素子上に結像するように配置する。光変調素子を透過した光は、投射光学系によってスクリーン上に結像する。プリズムは回転する構造となっており、拡散板を透過する光の位相を変動させることが出来る。
プリズムを回転させることによって位相変動を生じさせる場合、その回転軸は、光軸と一致することが望ましい。また、その回転速度は、拡散板の場合と異なり３０Ｈｚ以上であることが望ましい。
【００２９】
プリズムの回転による位相の変動は、拡散板の像がスクリーン近傍に結像することによって、スクリーン上での位相変動を生じさせる。
尚、本実施形態では、光変調素子として高温ポリシリコン液晶をあげたが、ＤＭＤやＬＣＯＳなどの様々な空間変調素子を用いても良い。また、ここではプリズムとして透過型のプリズムとしたが、反射型のものでも良く、曲面によって構成されたものでも良い。
本実施形態では、Ｌ２の一つのレンズで光変調素子近傍にプリズムの実像を結像させたが、第1実施形態のように４ｆ光学系を用いても良い。
【００３０】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態のプロジェクタを用いた映像表示方法について、図５を用いて説明する。
光源から投射された光は、レンズＬ１に入射する。Ｌ１を透過した光は、位相変動手段であるプリズムに入射する。プリズムに入射した光は、高温ポリシリコン液晶など光変調素子に入射する。このとき、位相変調手段であるプリズムが空間変調素子近傍に配置する。光変調素子を透過した光は、投射光学系によってスクリーン上に結像する。位相変調手段は空間変調素子近傍に配置されていため、投射光学系によってスクリーン近傍に結像することになる。プリズムは、時間的に角度が変動することで位相を変調するようになっている。
【００３１】
プリズム角度を変化させることで位相変動を生じさせる場合、その変動周期は、拡散板の場合と異なり、３０Ｈｚ以上であることが望ましい。
尚、本実施形態では、光変調素子として高温ポリシリコン液晶をあげたが、ＤＭＤやＬＣＯＳなどの様々な空間変調素子を用いても良い。また、ここではプリズムとして透過型のプリズムとしたが、反射型のものでも良く、曲面によって構成されたものでも良い。
【００３２】
第１実施形態では位相変動手段として変動する拡散板，第２実施形態では位相変動手段として回転するプリズム，そして第３実施形態では位相変動手段として角度がプリズムを用い、また、スクリーン近傍に位相変動手段を結像させるために、第１実施形態では４ｆ光学系，第２実施形態では結像レンズＬ２，位相変動手段を光変調素子近傍に配置したが、これらの組合せは、固定されるものではなく、異なった組合せによっても実現可能である。
【００３３】
また、本実施形態では、位相変動手段として、回転や振動などの稼働部を持つことによって実現したが、液晶など、時間的に屈折率変動を生じさせる手段を用いても良い。液晶などを用いれば稼働部がなくなり、振動や音などの問題が生じにくくなる利点もある。
尚、本実施形態では、説明のために光源からの光は、分離せずに光変調素子に入射するように記載しているが、当然、図１で説明したように色分解した後、３枚の空間変調素子に入射する光学系に用いても良い。この場合、位相変調手段は、各空間変調素子ごとに別々に３つ準備してもよいが、１つの空間変調素子が色分離される前に位相変調手段を通過する光学系にすれば、位相変調手段は１つでよく、コストダウンや小型化に有効である。
【００３４】
本発明では、透過型スクリーン２０におけるフレネルレンズ３０のフィルム化などスクリーン全体の薄型化に対する要求にも応える。
これは、基材３２の光源側表面の粗面化等により第１拡散部を形成し、第１拡散板３３を廃止して、フレネルレンズ３０を厚さ０．８ｍｍ以下に薄型化するものである。
これにより、透過型スクリーン２０を軽薄化し、なおかつ低コスト化することができる。こうすることで、フレネルレンズとレンチキュラーレンズを組み合わせて見た場合の拡散層厚を１ｍｍ以下に薄くすることが可能になり、透過型スクリーン２０の解像度および鮮鋭度を向上させることができる。
【００３５】
しかしながら、透過型スクリーン２０が薄型化されると、第１拡散部の厚さが薄くなりまたフレネルレンズ３０とレンチキュラーレンズアレイ４０との距離が短くなるので、一般のプロジェクタでは映像のシンチレーションが発生するおそれがある。
光学系内に光源からの光の位相を時間的に変動させる手段を備え、位相変動手段がスクリーン近傍に結像することを特徴とするプロジェクタを用いることで、シンチレーションを低減することで、高画質の映像を観察することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】リアプロジェクションテレビの側面断面図である。
【図２】第１実施形態に係る三板式プロジェクタの概略構成図である。
【図３】第１実施形態に係るプロジェクタの概略構成図である。
【図４】第２実施形態に係る単板式プロジェクタの概略構成図である。
【図５】第２実施形態に係る単板式プロジェクタの概略構成図である。
【図６】透過型スクリーンの平面断面図である
【符号の説明】
【００３７】
１０  リアプロジェクションテレビ
１２  プロジェクタ
１３，１４  反射鏡
２０  透過型スクリーン
３０  フレネルレンズ
４０  レンチキュラーレンズアレイ（拡散レンズアレイ）
【図１】
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【図２】
2008015310.tif 000005
【図３】
2008015310.tif 000006
【図４】
2008015310.tif 000007
【図５】
2008015310.tif 000008
【図６】
2008015310.tif 000009