(57)【要約】      （修正有）【課題】  液晶表示素子上での各色光の出力を向上させ、表示画像の明るさを向上可能な投射装置とその光学ユニットを提供する。【解決手段】  液晶表示素子を用いた単板式投射型映像表示装置に用いられる光学ユニットにおいて、第１の光導波路３と第２の光導波路６によってインテグレータを形成するとともに、第１の光導波路３と第２の光導波路６の間に偏光変換素子４を配置し、第２の光導波６路の入射側開口の外側に反射ミラー７を設ける。【選択図】  図１（ａ）
2007192951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を均一化するインテグレータであって、前記光源からの光を入射する第一の光導波路と、前記第一の光導波路からの光を特定の偏光方向に揃える偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの光を入射する入射面を有する第二の光導波路と、前記入射面の内側の少なくとも一部に配置される反射ミラーを備えるインテグレータと、
前記インテグレータから出射した光を複数の色光に分離する色分離素子と、
前記複数の色光を用いて映像信号に応じた光学像を形成する液晶表示素子と、
前記光学像を投射する投射レンズと、
前記光源に電力を供給する電源と、
前記液晶表示素子に前記映像信号を供給する映像信号処理回路を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項２】
光源と、
前記光源からの光を均一化する第一の光導波路と、
前記第一の光導波路が出射した光を入射する入射面と、前記入射面の内側の少なくとも一部に反射ミラーを有し、入射した光を均一化する第二の光導波路と、
前記第一の光導波路と前記第二の光導波路の間に配置される偏光変換素子と、
前記第二の光導波路が出射した光を複数の色光に分離する色分離素子と、
前記複数の色光を用いて映像信号に応じた光学像を形成する液晶表示素子と、
前記光学像を投射する投射レンズと、
前記光源に電力を供給する電源と、
前記液晶表示素子に前記映像信号を供給する映像信号処理回路を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の投射型映像表示装置において、
前記第一の光導波路は、入射側の側面の面積よりも出射側の側面の面積の方が大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項４】
請求項３に記載の投射型映像表示装置において、
前記入射面には開口が設けられており、
前記反射ミラーは前記開口の外周の少なくとも一部に配置されることを特徴とする映像表示装置。
【請求項５】
請求項４に記載の投射型映像表示装置において、
前記反射ミラーは前記第二の光導波路の光軸を対称として複数枚配置されることを特徴とする光学ユニット。
【請求項６】
請求項１または２に記載の投射型映像表示装置において、
前記第二の光導波路は、前記入射面の面積よりも出射側の側面の面積の方が大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項７】
請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
前記インテグレータはさらに第二の入射面と第一の出射面を有し、
前記第二の入射面の面積よりも前記第一の出射面の面積の方が大きいことを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項８】
請求項１また２に記載の投射型映像表示装置において、
前記液晶表示素子は１枚であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項９】
光源と、
前記光源からの光を均一化するインテグレータであって、前記光源からの光を入射する第一の光導波路と、前記第一の光導波路からの光を特定の偏光方向に揃える偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの光を入射する入射面を有する第二の光導波路と、前記入射面の内側の少なくとも一部に配置される反射ミラーを備えるインテグレータと、
前記インテグレータから出射した光を複数の色光に分離する色分離素子と、
前記複数の色光を用いて映像信号に応じた光学像を形成する液晶表示素子と、
前記光学像を投射する投射レンズを有する光学ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子を使用したスクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、透過式映像表示プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の光学ユニット、投射型映像表示装置に関し、特に、映像表示素子に入射する複数の色の光を、映像表示素子上の異なった領域に照射し、その照射領域を順次移動させることによりカラー映像を得て投射する映像表示装置及びそのための光学ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源からの光を、例えば、第１及び第２のアレイレンズ、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、コリメータレンズを通過させた後、カラーホイールを使用してＲ光、Ｂ光及びＧ光に分離し、分離された各々の光を、各光が１枚の映像表示素子上のそれぞれ異なった領域に照射し、各光の照射領域が、順次、上記映像表示素子上を一定の方向に移動（スクロール）させる単板式投射型映像表示装置がある。単板式投射型映像表示装置では、色分離手段を用いて分離された各々の光を１枚の映像表示素子上の異なる領域に照射することにより、複数の光の混色及びコントラスト劣化を改善している。
【０００３】
単板式投射型映像表示装置は光の利用効率が低いため、色分離を行う際に反射された光を再利用するカラーリキャプチャ方式が検討されている。たとえば特開2003−270586号公報には、カラーリキャプチャ方式においてインテグレータ内壁での反射による損失を抑えるために、リキャプチャに用いる反射性の端面をインテグレータの入射側の開口と出射側の間の特定の位置に設ける構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2003−270586号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開2003−270586号公報では、インテグレータの中間に設けた反射性の端面において光の利用効率を改善している。しかしながら、映像表示素子として液晶表示素子を用いる場合の偏光変換については考慮されていない。
【０００６】
本発明では、液晶表示素子を用いた投射型映像表示装置またはそのための光学ユニットにおいて、光導波路と、反射面を用いて、従来利用されない各々の色光を再利用し、各色光の利用効率を向上させ、表示画像の明るさを向上させる光学ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一面においては、液晶表示素子を用いた単板式投射型映像表示装置に用いられる光学ユニットにおいて、第１の光導波路と第２の光導波路によってインテグレータを形成するとともに、第１の光導波路と第２の光導波路の間に偏光変換素子を配置し、第２の光導波路の入射側の側面に反射面を設ける。
【０００８】
または、本発明の一面においては、液晶表示素子を用いた単板式投射型映像表示装置に用いられる光学ユニットにおいて、第１の光導波路と第２の光導波路によってインテグレータを形成するとともに、第２の光導波路の入射側の側面に反射面を有し、この反射面よりも第１の光導波路よりに偏光変換素子を配置する構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
光導波路と反射面を用いて、分離された各々の色光のうち、従来利用できなかった色光を再利用することにより、一枚の液晶表示素子上に照射される各々の色光の出力が向上し、表示画像の明るさを向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明における複数の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に、本発明の映像表示装置の光学ユニットの第一の実施の形態を示す。図１（a）は、光学ユニットの概略を示す構成の側面図である。図１（b）は、光学ユニットを上面からみた図である。映像表示装置は、図１に示す光学ユニットと共に、光源へ所定の電力を供給するための電源と、光学ユニットにおける映像表示素子へ映像信号を供給するための映像信号処理ユニットにより実現する。
【００１２】
光源１は、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の投射装置における光学ユニットでは、投射される映像の明るさを確保するため、例えば、キセノンランプ、メタハライドランプ、超高圧水銀ランプ等、高出力のランプが採用されている。しかし、上記のランプに代えて、例えば、ＬＥＤ、各色レーザ光源、無電極ランプ等の光源を利用することも可能である。また、リフレクタ２は、光源１の周囲に取り付けたリフレクタであり、リフレクタ２は、その内部鏡面を、例えば、回転楕円面、２次曲面、自由曲面に形成し、光源１から出射された光を反射して集光し（図中の破線を参照）、得られる光を光導波路３の入射開口に照射する。なお、光導波路３は、ガラス、もしくはプラスチック材料から形成されるライトパイプやロッドレンズ、もしくは反射ミラーから形成されるライトファネルなどによって実現される。光源１からの出射光はインテグレータ２１内を反射することにより、照度の分布が均一になる。
【００１３】
インテグレータは、光導波路３、偏光変換素子４、光導波路６を有する。上記のように、リフレクタ２を介して集光された光源１からの光は、まず光導波路３を通過して、照度の分布が均一に揃えられた後、偏光変換素子４の入射開口に入射する。なお、この偏光変換素子４は、偏光ビームスプリッタ４aと１／２波長板４bとの組み合わせにより、ランダムな偏向光を、Ｓ偏向光又はＰ偏向光に光の偏向を揃えるものである。
【００１４】
更に、この偏光変換素子４から出射した光は、白色光を複数の色光に分離する色分離素子５に入射し、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色に分離される。この色分離素子５は、例えば、複数（本例では３枚）の透過フィルタ（カラーフィルタ）５を張り合わせて構成される。各々のカラーフィルタは、Ｒ光を透過するＲ用カラーフィルタ５R、Ｇ光を透過するＧ用カラーフィルタ５G、Ｂ光を透過するＢ用カラーフィルタ５Bによって構成されており、出射する白色光を、それぞれ、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に分離して出射する。Ｒ光を透過するＲ用カラーフィルタ５Rは、Ｇ光及びＢ光を反射させる。Ｇ光を透過するＧ用カラーフィルタ５GはR光及びＢ光を反射させる。また、B光を透過するB用カラーフィルタ５BはR光及びG光を反射させる。このようにして、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光は、光導波路６から出射し、カラーフィルタ５R、５G、５Gにより分離、反射される。
【００１５】
なお、このカラーフィルタ５R、５G、５Gに代えて、例えば、複数のダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムによって構成することも可能である。また、R、G、Bの3色の色分離は、R、G、B、Yの４色や、R、G、B、Y、M、Cyなど多数の色に分離しても良い。また、R、G、B、の順番を、R、G、R、B、などのように変えると更に均一性が向上する構成もある。
【００１６】
上記の光学ユニットにおいては、色分離素子５から出射された複数の色光を、少なくとも１色ないし複数の色光を、映像表示素子の所定領域に照射する色光移動手段としてのポリゴンミラー９と、色分離手段から出射される複数の色光を色光移動手段に導くための第３の照明手段８を備えている。少なくとも１色ないし複数の色光がポリゴンミラー９の単一の面に対して、ほぼ垂直に入射するように構成され、映像表示素子上に照射される各々の色光が均一に走査されることが好ましい。なお、色光移動手段としてポリゴンミラー９を示しているが、電子式色切り替え素子、もしくはカラーホイールを用いることも可能である。
【００１７】
次に、図１（b）は、主要な構成部分となる光学ユニットの概略を示す構成の上面図を示す。上述のようにＲ、Ｇ、Ｂの３色に分離された光の他に、それぞれのカラーフィルタで透過せず反射した光が存在する。このカラーフィルタ５Rから反射した光は光導波路６の内部を透過、反射し、反射ミラー７により反射され、再びカラーフィルタ６に入射する。光導波路６は、ガラス、もしくはプラスチック材料から形成されるライトパイプやロッドレンズ、もしくは反射ミラーから形成されるライトファネルなどによって実現される。なお、光導波路３とは異なる材料、構成のものを用いることも可能である。光導波路６の入射面の開口外周内側には、反射ミラー７が形成されている。
【００１８】
偏光変換素子４を光源１と光導波路３との間に配置した場合、高温の光源１によって一部有機材料で作られている偏光ビームスプリッタ４aの寿命が短くなってしまう。また、偏光が揃った光がリキャプチャによって反射を繰り返すことによって偏光が乱れてしまい、液晶表示素子での光の利用効率が却って低下してしまう。一方、偏光変換素子４を光導波路６とカラーフィルタ５の間に配置した場合、反射によって偏光ビームスプリッタ4aを複数回数通過することから、偏光ビームスプリッタ４aによる光の吸収が大きくなり、光の利用効率が低下してしまう。したがって、本実施の形態の光学ユニットでは、偏光変換素子４を光導波路３と光導波路６の間に配置する構成としている。または、偏光変換素子４をリキャプチャに用いる反射ミラー７の手前に配置する構成としている。この構成によって、偏光が乱れることもなく、偏光変換素子４での吸収も抑えることができることから、リキャプチャする光の利用効率を向上させることが可能となる。
【００１９】
すなわち、光源１からのランダムな偏向光は、光導波路３を通過し、偏光変換素子４によって所定の偏向光に揃えられ、光導波路６を通過し、色分離素子５に導かれ、ここで、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光に分離される。ここで分離されなかった反射光は、再び光導波路６により反射ミラー７に導かれ、反射後に再び色分離素子５に入射し、分離される。この構成によって、色分離素子５から出射する各色光の光量を増加することができ、照度が優れた投射映像を得ることが可能となる。
【００２０】
次に図２を用いて、光学ユニットの第2の実施の形態の概略を説明する。図２（a）には、映像表示装置の光学ユニットの第2の実施の形態の概略を示す側面図を、図２（b）はその上面図を示している。
【００２１】
本実施の形態では、図１に示した基本構造において、リフレクタ２により集光された光を偏光変換素子４へ照射する光導波路３の形状を、入射面積と出射面積が異なる形状、例えば、末広がりなテーパ形状とする構成としている。このように光導波路３としてテーパ状の形状のものを採用すると、光導波路内での反射角度が緩やかになり、F値を大きくする。偏光変換手段への入射光のF値は大きくなることが好ましく、光導波路３からの出射光のF値を大きくすることにより、偏光変換素子４での角度特性に起因した光の利用効率の低下を軽減するとともに、偏光変換効率を向上させたものである。
【００２２】
なお、図２（b）では、光導波路６の入口に設けられた反射ミラー７が、入射開口の左右に設けられている。この反射ミラー７の設置位置は、左右対称であることが好ましいが、片側（右、左）のどちらかにオフセット配置しても良い。
【００２３】
図３に、光学ユニットの第３の実施の形態の概略を示す。図３（a）は、光学ユニットの第３の実施の形態の側面図である。図３（b）は、その上面図を示している。
【００２４】
本実施の形態では、図１に示した基本構造において、偏光変換素子４から色分離素子５へ導く光導波路６の形状を、入射面積と出射面積が異なる形状、例えば、末広がりなテーパ形状とすることにより、出射光のF値を大きくし、映像表示素子の角度依存性にともなうコントラストの劣化を防ぎ、コントラスト性能を向上させる。また、色分離素子５の透過、あるいは反射の角度特性を向上させ、偏光変換効率の低下を軽減し、出射映像のコントラストを向上させたものである。
【００２５】
図２または図３の実施の形態をまとめると、インテグレータ２１の入射面と出射面において、入射面の面積の方が出射面の面積よりも小さければ、インテグレータ２１からの出射光のF値を大きくすることができ、コントラスト性能を向上させることができるといえる。そのなかでも、図２の実施の形態の場合は、偏光変換素子４へ入射される光のF値が大きくなることから、偏光変換素子４の偏光効率を向上させることが可能となる。また、図３の実施の形態の場合は、色分離素子５への出射光のF値が大きくなることから、色分離素子５の角度依存性による影響を低減することが可能となる。したがって、二つの実施の形態の組み合わせが望ましい。
【００２６】
図４を用いて、光学ユニットの第４の実施の形態の概略を説明する。図４（a）は、本実施の形態の光学ユニットの側面図である。図４（b）は上面図を示している。
【００２７】
本実施の形態は、図１に示した基本構造において、光源１の出射光を色分離素子５に導く照明系に、少なくとも１つ、ないしは複数のアレイレンズ１４aと、偏光変換素子１４bと、アレイレンズにより形成される像を同一箇所に重ねあわせるコリメータレンズ１５を備えている光学ユニットである。本実施の形態では、アレイレンズを用いた光学系において、従来不要であった色光を再利用する構成を提供できる。
【００２８】
図５を用いて映像表示装置の光学ユニットの第5の実施の形態の概略を説明する。図５（a）は、光学ユニットの第5の実施の形態の側面図である。図５（b）は、その上面図、図５（c）は、その正面図を示している。
【００２９】
本実施の形態では、図１に示した基本構造において、カラーフィルタ５に変えて、色光移動手段として、複数の色透過手段を備えて一方向に順次回転する回転体、例えば、カラーホイール１６を用いた構成を示している。カラーホイールで反射される、従来は使用されていなかった色光は、光導波路６内を反射しながら通過し、反射面７に導かれ、反射面７に反射後、再びカラーホイール１６に入射し再利用できるため、効率を改善できる。図１（a）において、色光移動手段とカラーフィルタ５とを統合させた光学系を構成できるため、部品点数を削減した単純な光学系を提供できる。
【００３０】
図６に、映像表示装置の光学ユニットの第6の実施の形態の構成を示す。本実施の形態では、図１に示した基本構造において、色光移動手段に、入射された光の光路を入力される電気信号により変化させる光学素子、例えば、ホログラム光学素子１７などを利用できる。ホログラム素子１７を電気的に駆動させる事により、色光を映像表示素子上の所定領域に照射するように構成できる。ホログラム素子に入力させる電気信号を時間的に変化させることにより、時間的に色光を移動させることができる。従って、駆動部を除外した光学システムを構築することが可能になる。
【００３１】
図７を用いて映像表示装置の光学ユニットの第7の実施の形態を説明する。図７（a）は、光学ユニットの第７の実施の形態の側面図である。図７（b）は、その上面図である。本実施の形態では、図１に示した基本構造において、色分離素子５から反射される１色ないし複数の色光を反射する反射面７の形状が、所定の角度を持つ面で構成される。
【００３２】
図７（c）は、光導波路６、反射面７と、色分離素子５の構成の拡大図を示しており、図中の矢印は、色分離素子aにより反射された、従来使用されていなかった色光の光路の概略を示している。色分離素子５Rで反射された、従来利用されていなかった色光は、光導波路６内を通過し、所定の角度を持って構成される反射面７に導かれ、５R以外の色分離素子５G、５Bに再入射されることにより、利用効率を向上させる。このとき、再利用光は平面反射ミラーの場合より、均一性か、光分布が５G、５Bに重点的に入射される。これにより、平面反射ミラーの場合よりも効率が向上する場合がある。
【００３３】
最後に、図８を用いて、上記に種々説明した本発明である光学ユニットを備えた映像表示装置の内部構成を示す。なお、この例では、例えば、プラスチックや金属板により略箱型に形成された筐体１８の内部には、図１（a）に示した光学ユニットが、その投射レンズ１３を筐体の側壁の一部に取り付けて、投射レンズ１３を通して外部へ映像を投射できるように、取り付けられている。
【００３４】
さらに筐体１８の一部には、光源１であるランプに電力を供給すると共に、上記ポリゴンミラー９や、回転ファンモータ等を駆動するための電力を供するための電源部１９、光源１であるランプの発光量や上記モータへ供給する電力を制御する制御回路、外部からの信号を入力して映像表示素子１１へ供給される映像信号を生成する映像信号処理回路、更には、図示しない他の要素をも含めて装置全体の制御を行う、例えば、マイクロプロセッサを含むコントロール部２０が内蔵されて構成されている。マイクロプロセッサでは、色光移動手段の駆動制御と、映像表示素子へ送信する映像信号とを同期させることにより、カラー映像を提供するシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１（ａ）】光学ユニットの第１の実施の形態の側面図である。
【図１（ｂ）】光学ユニットの第１の実施の形態の上面図である。
【図２（ａ）】光学ユニットの第２の実施の形態の側面図である。
【図２（ｂ）】光学ユニットの第２の実施の形態の上面図である。
【図３（ａ）】光学ユニットの第３の実施の形態の側面図である。
【図３（ｂ）】光学ユニットの第３の実施の形態の上面図である。
【図４（ａ）】光学ユニットの第４の実施の形態の側面図である。
【図４（ｂ）】光学ユニットの第４の実施の形態の上面図である。
【図５（ａ）】光学ユニットの第５の実施の形態の側面図である。
【図５（ｂ）】光学ユニットの第５の実施の形態の上面図である。
【図５（ｃ）】光学ユニットの第５の実施の形態の正面図である。
【図６】光学ユニットの第６の実施の形態の側面図である。
【図７（ａ）】光学ユニットの第７の実施の形態の側面図である。
【図７（ｂ）】光学ユニットの第７の実施の形態の上面図である。
【図７（ｃ）】光学ユニットの第７の実施の形態の拡大図である。
【図８】投射型映像表示装置の概観図である。
【符号の説明】
【００３６】
１・・・光源、２・・・リフレクタ、３・・・光導波路、４・・・偏光変換素子、４a・・・偏光ビームスプリッタ、４b・・・１／２波長板、５・・・色分離素子、６・・・光導波路、７・・・反射ミラー、８・・・レンズ、９・・・ポリゴンミラー、１０・・・レンズ、１１・・・映像表示素子、１２・・・偏光ビームスプリッタ、１３・・・投射レンズ、１４a・・・レンズアレイ、１４b・・・偏光ビームスプリッタ、１５・・・コリメータレンズ、１６・・・カラーホイール、１７・・・電子式色切り替え素子、１８・・・筐体、１９・・・電源部、２０・・・コントロール部、２１・・・インテグレータ
【図１（ａ）】
2007192951.tif 000003
【図１（ｂ）】
2007192951.tif 000004
【図２（ａ）】
2007192951.tif 000005
【図２（ｂ）】
2007192951.tif 000006
【図３（ａ）】
2007192951.tif 000007
【図３（ｂ）】
2007192951.tif 000008
【図４（ａ）】
2007192951.tif 000009
【図４（ｂ）】
2007192951.tif 000010
【図５（ａ）】
2007192951.tif 000011
【図５（ｂ）】
2007192951.tif 000012
【図５（ｃ）】
2007192951.tif 000013
【図６】
2007192951.tif 000014
【図７（ａ）】
2007192951.tif 000015
【図７（ｂ）】
2007192951.tif 000016
【図７（ｃ）】
2007192951.tif 000017
【図８】
2007192951.tif 000018