(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤色光を発生する第１の照明系と、緑色光を発生する第２の照明系と、青色光を発生する第３の照明系と、前記赤色光、緑色光及び青色光を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する２次元光変調器と、前記赤色光、緑色光、青色光に対応した画像を合成するダイクロイックプリズムと、前記画像を投射する投射レンズを備えた投射型表示装置において、
前記第１の照明系、前記第２の照明系、及び前記第３の照明系のそれぞれが、
マトリクス状に配置した複数のレーザ光源と、
前記レーザ光源の複数の発光点が1つのレンズに対応しており、前記レーザ光源からの光を集光するカップリング光学系と、
前記複数の発光点が１つの光ファイバーに対応しており、前記カップリング光学系により集光された光が入射する光ファイバーアレイと、
正のパワーを持つ集光レンズアレイからなり、前記複数の発光点を1つのレンズに対応させた集光光学系と、
前記集光光学系からの光を各々の偏光方向に分離する偏光変換光学系から構成されており、
前記第１の照明系、前記第２の照明系、及び前記第３の照明系のそれぞれにおいて、
前記集光レンズアレイの焦点距離は、前記偏光変換光学系の偏光ビームスプリッタの位置と前記光ファイバーアレイの出射端の位置がほぼ共役になるように設定されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
赤色光を発生する第１の照明系と、緑色光を発生する第２の照明系と、青色光を発生する第３の照明系と、前記照明系から出力された光を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する２次元光変調器と、前記赤色光、緑色光、青色光に対応した画像を合成するダイクロイックプリズムと、前記画像を投射する投射レンズを備えた投射型表示装置において、
前記第１の照明系、前記第２の照明系、及び前記第３の照明系のそれぞれが、
ライン状に配置した複数のレーザ光源と、
前記レーザ光源のライン状の発光点が1つのレンズに対応しており、前記レーザ光源からの光を集光するカップリング光学系と、
前記ライン状の発光点が１つの光ファイバーに対応しており、前記カップリング光学系により集光された光が入射する光ファイバーアレイと、
正のパワーを持つ集光レンズアレイからなり、複数の光ファイバーに１つのレンズを対応させた集光光学系と、
前記集光光学系からの光を各々の偏光方向に分離する偏光変換光学系から構成されており、
前記第１の照明系、前記第２の照明系、及び前記第３の照明系のそれぞれにおいて、
前記集光レンズアレイの焦点距離は、前記偏光変換光学系の偏光ビームスプリッタの位置と前記光ファイバーアレイの出射端の位置がほぼ共役になるように設定されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】
前記偏光変換光学系は入射光をＰ偏光、Ｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタと、一方の偏光成分を９０度偏光を回転する１／２波長板と、反射された光の進行方向を曲げる反射ミラープリズムから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
【請求項４】
前記複数のレーザ光源からなる照明系を構成する光ファイバーアレイの出射端の全体の大きさは前記２次元空間光変調器の受光面積より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
【請求項５】
前記複数のレーザ光源からなる光源アレイは赤色光、緑色光、青色光に対応する光源数が夫々異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
【請求項６】
前記集光光学系近傍の像が前記２次元空間光変調器に多重に結像させる照明レンズが設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元光変調器に表示された映像を投射して表示する画像表示装置に係り、特に液晶ライトバルブを用いた投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子によるライトバルブ方式の液晶プロジェクタが広く使われている、この液晶プロジェクタは、いわゆるＴＮ(Twisted Nematic)液晶モードやＥＣＢ(Electrically Controlled Birefringence)モードを利用し、光の偏光状態を制御して画像を形成する。駆動素子として、薄膜トランジスタやSi半導体基板上のトランジスタなどをもちいて、透過型や反射型の液晶ライトバルブとして細密な画像を形成している。
【０００３】
ところで、このようなライトバルブ方式の投射型表示装置では、投射光源を必要とするが、従来技術では、この光源として、一般に高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの高輝度放電ランプが一般に用いられている。
【０００４】
また、特開平１０−２９３５４５や特開平１１−６５４７７のようにレーザーダイオードなどの固体光源をその投射光源とする投射型表示装置も考案されている。しかるにそれらの装置は、光源光をそのままライトバルブに入射させるものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように光源として、メタルハライドランプやキセノンランプなど高輝度放電ランプを用いた場合、光源の集光効率が悪く、一方、固体光源を用いた場合すべての偏光を有効に利用できないという、省エネルギーという点で問題があった。
【０００６】
また一般に、このような表示装置では、カラー表示のため、３原色の光源を要するが、高輝度放電ランプは白色光源であるので、ダイクロイックミラーなどにより３原色に分光する色分解照明光学系を必要ととし、さらに放熱のための空冷装置も必要で装置の小型化のネックとなっていた。
【０００７】
一方、半導体レーザや発光ダイオードなどの固体光源では出力が高輝度放電ランプに比べ低く、単体の光源として利用するには十分とはいえなかった。さらに空間コヒーレンシーの高い光源であるため、単に光源として用いるとスペックルの発生が問題となる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、複数のレーザ光源と光源光の偏光を制御することにより、明るく、光量むらのない、小型化可能な投射型表示装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によれば、赤色光、緑色光、青色光を発生する照明系と、前記照明系から出力された光を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する２次元光変調器と、前記赤色光、緑色光、青色光に対応した画像を合成するダイクロイックプリズムと、前記画像を投射する投射レンズとを備えた投射型表示装置において、前記照明系が、マトリクス状に配置した複数のレーザ光源と、前記レーザ光源の発光点に対応したカップリング光学系と、光ファイバーアレイと、この光ファイバーアレイからの光を集光する集光光学系と、この集光光学系からの光を各々の偏光方向に分離する偏光変換光学系とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、ちらつきの原因であるスペックルを抑制でき、また光源の発光点が小さいので理想的な光制御が可能となり光量の損失を小さく抑えることができる。
【００１１】
さらに、請求項２に係る発明は、前記偏光変換光学系は入射光をＰ偏光、Ｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタと、一方の偏光成分を９０度偏光を回転する１／２波長板と、反射された光の進行方向を曲げる反射ミラープリズムから構成されることを特徴とする。これによれば、偏光を無駄無く有効に投影に利用できる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、前記集光光学系は正のパワーを持つ集光レンズアレイからなり、その焦点距離は前記偏光変換光学系の偏光ビームスプリッタの位置と前記光ファイバーアレイの出射端の位置がほぼ共役になるように設定されたことを特徴とする。これによれば、光源光を有効に偏光変換系に導入することが可能となる。
【００１３】
さらに、請求項４に係る発明は、前記複数のレーザ光源からなる照明系を構成する光ファイバーアレイの出射端の全体の大きさは前記２次元空間光変調器の受光面積より大きいことを特徴とする。これによれば、投射レンズの入射瞳から外れる成分を低減することが可能となる。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、前記複数のレーザ光源からなる光源アレイは赤色光、緑色光、青色光に対応する光源数が夫々異なることを特徴とする。これによれば、色バランスのよい投影像が選られる。
【００１５】
さらに、請求項６に係る発明は、前記集光光学系近傍の像が前記２次元空間光変調器に多重に結像させる照明レンズが設置されていることを特徴とする。これによれば、均質な照明を２次元空間光変調器に与えることが可能となる。
【００１６】
また、請求項７に係る発明は、赤色光、緑色光、青色光を発生する照明系と、前記照明系から出力された光を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する２次元光変調器と、前記赤色光、緑色光、青色光に対応した画像を合成するダイクロイックプリズムと、前記画像を投射する投射レンズを備えた投射型表示装置において、前記照明系が、マトリクス状に配置した複数のレーザ光源と、前記レーザ光源の複数の発光点を1つのレンズに対応させたカップリング光学系と、１つの光ファイバーに対応させた光ファイバーアレイと、1つのレンズに対応させた集光光学系と、この集光光学系からの光を各々の偏光方向に分離する偏光変換光学系から構成されていることを特徴とする。これによれば、より大光量の投影が可能となる。
【００１７】
さらに、請求項８に係る発明は、赤色光、緑色光、青色光を発生する照明系と、前記照明系から出力された光を画像情報に応じて変調し、光学像を形成する２次元光変調器と、前記赤色光、緑色光、青色光に対応した画像を合成するダイクロイックプリズムと、前記画像を投射する投射レンズを備えた投射型表示装置において、前記照明系が、ライン状に配置した複数のレーザ光源と、前記固体光源のライン状の発光点を1つのレンズに対応させたカップリング光学系と、１つの光ファイバーに対応させた光ファイバーアレイと、複数の光ファイバーに１つのレンズを対応させた集光光学系と、この集光光学系からの光を各々の偏光方向に分離する偏光変換光学系から構成されていることを特徴とする。これによれば、簡便な集光レンズ系を構成できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態による投射型表示装置の光学系の基本構成図である。赤色光(Ｒ光)、緑色光(Ｇ光)、青色光(Ｂ光)を合成するダイクロックプリズム１０１を中心にして、その３つの面に赤(Ｒ)用、緑(Ｇ)用、青(Ｂ)用の３つの透過型２次元空間光変調器１０２、１０３，１０４が配置されている。残りの面には投射レンズ１０５が配置されている。これらの透過型２次元空間光変調器１０２、１０３、１０４に対し、それぞれ対応する色のレーザ光源からなる照明系１０６、１０７、１０８が設置されている。
【００１９】
ここで用いた２次元空間光変調器１０２，１０３，１０４は、入射した光を各色の画像情報に応じて光の透過率を変調する装置である。例えば透過型の液晶表示素子が典型であり、具体的には、各画素毎に薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)を設けた、いわゆるアクティブマトリクス方式によるＴＮ(Twisted Nematic)液晶表示素子で構成されたものが一般的である。本実施例で使用した２次元空間光変調器１０２，１０３，１０４は、ポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤである。この動作原理は、液晶の電気光学効果、特に偏光状態の電界による制御によって光の透過率を制御するものである。
【００２０】
次に各ＲＧＢに対応した画像が２次元空間光変調器１０２，１０３，１０４に形成されると、これらはダイクロイックプリズム１０１によって合成され投射レンズによってスクリーン上に結像投影される。このようにしてカラー画像が再現される。
【００２１】
図２は本発明の投射型表示装置の照明系の概要を示す図である。説明を簡単にするため１色だけを取りだしている。レーザ光源からの光は、４×４個の光源の発光点２０１に対応して設けられたカップリング光学系２０９によって光ファイバーアレイ２１０の入射側端面に集光される。出射側端面には集光光学系２０２が設置され、集光された光は偏光変換光学系２０３に入射する。
【００２２】
偏光変換光学系２０３は偏光ビームスプリッタ２０４と１／２波長板２０５からなり、入射光をＰ偏光成分と、Ｓ偏光成分に分離した後、一方の偏光成分が１／２波長板２０５によって９０度偏光を回転する。このように分離された光のどちらかを光の進行方向と同じ方向に反射ミラープリズム２０６により反射すると偏光が揃った光を有効に発生できる。この場合偏光ビームスプリッタ２０４の偏光分離膜はレーザ光源の発光スペクトル域にのみ偏光選択性を有していれば良いので、狭帯域の設計で十分である。
【００２３】
さらに本実施例では、偏光ビームスプリッタ２０４と反射ミラープリズム２０６、１／２波長板２０５は発光点２０１に１：１に対応し、アレイ化されている。より具体的には、集光光学系２０２、カップリング光学系２０９は正のパワーを有する凸レンズからなるレンズアレイ、レーザ光源は半導体レーザのアレイを用いた。このカップリングレンズアレイ２０９の各レンズは半導体レーザの発光点２０１にそれぞれ対応している。
【００２４】
さてレーザーを光源に用いた場合、光源発光の偏光性が高く、また空間コヒーレンシーのきわめて高い光源である。従って単に光源として用いると投影された画像はスペックルが多く、ちらつきとして視認されてしまう。
【００２５】
本実施例では図２に示すように半導体レーザーから出射した光をカップリングレンズアレイ２０９により集光し光ファイバーアレイ２１０に導入する。この光ファイバーアレイ２１０中で反射伝播する中で偏光、位相が複雑に乱れ、結果としてスペックルの原因となる空間コヒレンシーを低下させることができる。次に光ファイバーアレイ２１０の出射端から発生した光は、集光アレイレンズ２０２で再び集光され、偏光変換光学系２０３に入射する。
【００２６】
また集光レンズアレイ２０２の焦点距離は偏光変換光学系２０３の偏光ビームスプリッタ２０４の位置と光ファイバーアレイ２１０の出射端の位置がほぼ共役になるように設定されている。こうすることで光源光のほぼすべてを偏光ビームスプリッタ２０４に入射させることができる。図２の場合、偏光ビームスプリッタ２０４、反射ミラープリズム２０６、１／２波長板２０５は図２の紙面に対し垂直の方向にライン状に集積している。これは個別にアレイ化するよりも簡便な製造が可能となるためである。
【００２７】
さらに、集光レンズアレイ２０２を含んだ照明系全体では、集光レンズアレイ２０２近傍の像が２次元空間光変調器２０８に多重に結像するように照明レンズアレイ２１１、照明レンズ２０７が設計されている。またこの集光レンズアレイ２０２は、２次元光変調器２０８の表示部と相似形に作られた複数の矩形の単レンズをマトリクス状に配した構成になっている。このようにすることで均質な照明を与えることができる。なお図２では中央の一つの集光レンズアレイについて光線を描いているが、端部側の集光レンズアレイ２０２を通る光についても同じように２次元光変調器２０８の表示部に集光している。
【００２８】
次に本実施例で使用したレーザ光源を表１に示す。
0004214656.tif 000002
【００２９】
なお、レーザ光源の緑色光は発光効率を考慮し、半導体レーザ励起の固体レーザを用いた。赤色および青色の半導体レーザは、各々、熱伝導性の良いアルミナセラミックの基板上２０９にマトリクス状に実装した。
【００３０】
また、光ファイバーアレイ２１０の出射端の全体の大きさは２次元空間光変調器２０８より大きなサイズに形成している。これは偏光変換光学系２０３による透過偏光と偏光面を回転した偏光の間で光軸のずれが発生し、投射レンズの入射瞳から外れる成分を低減するためである。このようにしたことで大口径の投射レンズでなくとも明るい投影像が得られた。
【００３１】
また色バランスのために固体レーザアレイに実装する半導体レーザの数をＲを２×２、Ｂを３×３のように調整することもできる。
【００３２】
このようにして、従来のダイクロイックミラー等によって色分解された照明光に比べ、固体光源の各ＲＧＢ色のスペクトル巾は狭帯域であるので合成用ダイクロイックプリズム１０１のコーティングの波長選択特性が急峻でなくとも十分な３原色合成ができる。
【００３３】
より大光量を要する場合、図３のように多くのレーザ光源を集積化する必要となる。その結果、発光点が接近してしまう。この場合、図３のように複数の発光点３０１をカップリングレンズアレイ３０９の１レンズ、光ファイバーアレイ３１０の１ファイバー、および集光レンズアレイ３０２の１レンズに対応させ、一つの偏光ビームスプリッタ位置に照射することができる．３０３は偏光変換系、３１１は照明レンズアレイ、３０７は照明レンズである。
【００３４】
また、図４に示すようにレーザアレイの発光点４０１をライン状に形成し、各発光点からの光をカップリングレンズアレイ４０９の１レンズによって集光し、光ファイバーアレイ４１０の１ファイバーに入射させ、複数の光ファイバーの出射端を集光レンズアレイ４０２の１レンズに対応させる構成もとれる。集光レンズ４０２で集光された光は偏光変換光学系４０３に入射する。４１１は照明レンズアレイ、４０７は照明レンズである。
【００３５】
次にＲＧＢ光で照明された図示しない２次元空間光変調器に形成されたＲＧＢカラー画像が図示しないダイクロイックプリズムによって合成される。従来のダイクロイックミラー等によって色分解された照明光に比べ、レーザの各Ｒ、Ｇ、Ｂ色のスペクトル巾は狭帯域であるので合成用ダイクロイックプリズムのコーティングの波長選択特性が急峻でなくとも十分な３原色合成ができる利点がある。
【００３６】
また、ここで用いられる半導体レーザは光通信やメモリー装置に用いられるようなきわめて制御された波長やファーフィールドパターンを必要としないのでレーザー端のＤＦＢミラー構造などを簡略化できる。
【００３７】
以上は半導体レーザの例中心にを説明したが、半導体レーザ励起固体レーザ等の固体光源であっても同様に投射型表示装置を構成できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の投射型表示装置は、従来の液晶投射型プロジェクタのように光源光をＲＧＢ分離する必要がなく、照明光学系を小型化できる。光源の発光点が小さいので理想的な光制御が可能となり光量の損失を小さく抑えることができる。またレーザ特有の空間コヒーレンスを低減し、スペックルの発生を低下させることができる。またいったん崩してしまったレーザ光の偏光を有効に利用できることから光量の損失を抑えることができる。以上のように、光の利用効率が高く、明るい投射映像を得ることができる。
また、投射映像の光出力を上げるために、本願のように複数の光源をアレイ化すると、1素子あたりの負荷を減らし、また発熱を分散させることができ、ついては光源の信頼性向上をもたらす効果を有する。
さらに、、光源のばらつきやたとえ一つが故障してもその投射表示装置としての機能を失うことがない。さらに光源に不可欠であった冷却システムの簡便化が図れる。
複数の固体光源からの光を合成して利用することができるので、十分な明るさの投射映像を容易に得ることができる。
また、本発明によれば、2次元空間光変調器に均一な照度の照明をあたえることができるので、明るさにむらの無い高品位の投射映像を得ることができる。また、固体光源は、波長帯域が狭い色純度の高い光が得られるので、本発明によれば、従来技術の白色光源を用いた場合よりも色再現範囲が広くなり、この結果、充分に高品位の投射映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置の光学系の基本構成図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置の照明系の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる複数の発光点からなる照明系の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかるライン状光源アレイの照明系の断面図である。
【符号の説明】
１０１                ダイクロックプリズム
１０２、１０３，１０４    ２次元空間光変調器
１０５                投射レンズ
１０６、１０７，１０８      Ｒ，Ｇ，Ｂ色のレーザ光源からなる照明系
２０１                レーザ光源の発光点
２０２                集光光学系
２０３                偏光変換光学系
２０４                偏光ビームスプリッタ
２０５                １／２波長板
２０６                反射ミラープリズム
２０７                      照明レンズ
２０８                ２次元空間光変調器
２０９                カップリング光学系
２１０                光ファイバーアレイ
３０１                複数の発光点
３０２、４０２        集光レンズアレイ
３０３、４０３        偏光変換光学系
３０９、４０９        カップリングレンズアレイ
３１０            、４１０光ファイバーアレイ
４０１                ライン状レーザ光源アレイ
【図１】
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【図２】
0004214656.tif 000004
【図３】
0004214656.tif 000005
【図４】
0004214656.tif 000006