(57)【要約】【課題】複数の光学部材を用いることなく、異なる傾斜角のスクリーンに対して良好な結像を得ることを可能とする投影型表示装置を提供する。【解決手段】本実施形態の投影型表示装置は、光源部１と、光源部１からの光を画像パターンに応じて変調するライトバルブ２を備える。また、本実施形態の投影型表示装置は、投影レンズ３と、印加される電圧に応じて光路長分布が変化する液晶光学素子５とを有する投影光学系７を備える。投影光学系７は、ライトバルブ２により変調された光をスクリーン４上に投影する。さらに、本実施形態の投影型表示装置は、後述するように液晶光学素子５の光路長分布を変化させ、投影光学系７により投影される光の結像面の傾斜を制御するコントローラ６を備える。本実施形態の投影型表示装置は、傾斜角の異なるスクリーン４に対して良好な結像を得ることを可能とする。【選択図】図３
2009229851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、
前記光源部からの光を画像パターンに応じて変調するライトバルブと、
印加される電圧に応じて光路長分布が変化する液晶光学素子と、投影レンズとを有し、前記ライトバルブにより変調された光を投影する投影光学系と、
前記液晶光学素子の光路長分布を変化させ、前記投影光学系により投影される光の結像面の傾斜を制御する制御手段と、を備える
ことを特徴とする投影型表示装置。
【請求項２】
前記液晶光学素子は、第１の透明基板に設けられたストライプ状の電極群と、第２の透明基板に設けられた共通電極とで液晶層を挟持し、前記ストライプ状の電極群と前記共通電極とで前記液晶層に電圧を印加して光路長分布を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の投影型表示装置。
【請求項３】
前記液晶光学素子は、前記ストライプ状の電極群と前記共通電極とで前記液晶層に電圧を印加してフレネルレンズ状の光路長分布を形成する
ことを特徴とする請求項２に記載の投影型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーン上に像を投影する投影型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光源から出射した光をライトバルブにより変調し、その変調された光を投影レンズによりスクリーン上に投影する投影型表示装置が知られている。このような投影型表示装置は、投影レンズの光軸に対してスクリーンが傾斜した際に投影像が劣化する。このようなスクリーンの傾斜による投影像の劣化について、図面を用いて説明する。
【０００３】
図１４は、従来の投影型表示装置に対してスクリーンが傾斜した状態を示す説明図である。図１４に示す従来の投影装置は、光源部１０１と、光源部１０１から照射された光を画像パターンに応じて変調するライトバルブ１０２と、ライトバルブ１０２で変調された光をスクリーン１０４上に投影する投影レンズ１０３と、を備える。図１４において、図面の垂直方向をＸ軸、上下方向をＹ軸とし、投影レンズ１０３の光軸と平行である左右方向をＺ軸とする。図１４は、スクリーン１０４が、投影レンズ１０３の光軸に対して正対した状態から、結像面の下端部Ｍを中心にＸ軸周りに角度θａだけ回転して傾斜した状態を示す。
【０００４】
図１４に示すように、スクリーン１０４が傾斜すると、投影レンズ１０３から出射した光の光路長が変化しスクリーン１０４上で結像しなくなる。特に、投影レンズ１０３の下端から出射し、スクリーン１０４上端へ進む光線の光路長が大きく変化し、焦点を結ばなくなる。
【０００５】
図１５及び１６は、スクリーン１０４の傾斜角（０°、１５°、３０°、４５°、６０°）と、ＭＴＦ(Modulation Transfer Function)との関係のシミュレーション結果を示す図である。図１５はスクリーン１０４の中央部のＭＴＦを示し、図１６はスクリーン１０４上端部のＭＴＦを示す。ＭＴＦは、レンズ性能を表す尺度として一般に広く使われており、ある空間周波数の繰り返しパターンを、レンズを通して結像したときのコントラストの伝達度合いを表している。
【０００６】
図１５及び図１６に示すように、スクリーン１０４の傾斜角が大きくなるにつれて、投影像の光学特性（ＭＴＦ）が大きく劣化する。また、スクリーン１０４が傾斜した際の光路長の変化が大きいスクリーン１０４の上端部において、スクリーン１０４の中央部より、投影像の光学特性（ＭＴＦ）が大きく劣化する。
【０００７】
また上記とは別に、投影レンズとライトバルブとの間に、光路長を変化させる光学部材を備え、投影レンズの光軸に対して傾斜したスクリーンに良好な像を投影する投影型表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の投影型表示装置は、所定の角度の入射端面と出射端面とを有するファイバ集合体を備え、投影レンズの光軸に対して傾斜したスクリーンに像を投影するものである。
【０００８】
【特許文献１】特許第３６２７２５１号公報（第３−４頁、図１−２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述した従来の投影型表示装置は、以下のような問題がある。従来の投影型表
示装置は、スクリーンの傾斜角に応じた光学部材により光路長を変化させ、良好な結像を得るものである。このため、スクリーンの傾斜角が変化した際には、その傾斜角に応じた光学部材が必要になる。すなわち従来の投影型表示装置は、異なる傾斜角のスクリーンに対しては複数の光学部材を用いる必要があり、利便性が悪い問題がある。特に、携帯型の投影装置においては、携帯性が大きく損なわれてしまう。
【００１０】
そこで、本発明は上記課題を解決し、複数の光学部材を用いることなく、異なる傾斜角のスクリーンに対して良好な結像を得ることを可能とする投影型表示装置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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の投影型表示装置は、下記記載の構成要件を有するものである。
【００１２】
本発明の投影型表示装置は、光源部と、光源部からの光を画像パターンに応じて変調するライトバルブと、印加される電圧に応じて光路長分布が変化する液晶光学素子と、投影レンズとを有し、ライトバルブにより変調された光を投影する投影光学系と、液晶光学素子の光路長分布を変化させ、投影光学系により投影される光の結像面の傾斜を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の投影型表示装置は、前述した構成に加えて、液晶光学素子は、第１の透明基板に設けられたストライプ状の電極群と、第２の透明基板に設けられた共通電極とで液晶層を挟持し、ストライプ状の電極群と共通電極とで液晶層に電圧を印加して光路長分布を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、本発明の投影型表示装置は、前述した構成に加えて、液晶光学素子は、ストライプ状の電極群と共通電極とで液晶層に電圧を印加してフレネルレンズ状の光路長分布を形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の投影型表示装置は、スクリーンの傾斜により生じた光路長の変化を、液晶光学素子に形成された光路長分布で補正する。これにより、投影レンズの光軸に対してスクリーンが傾斜した状態であっても、良好な結像を得ることが可能となる。
また、本発明の投影型表示装置は、スクリーンの傾斜角に合わせて、液晶光学素子の光路長分布が変更される。これにより、複数の光学部材を用いることなく、異なる傾斜角のスクリーンに対して良好な結像を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づき本発明における投影型表示装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
＜構成の説明：図１〜図２＞
まず、本実施形態の投影型表示装置の構成について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態の投影型表示装置の全体構成を示す図面である。図１において、上下方向をＹ軸、垂直方向をＸ軸、後述する投影レンズの光軸と平行である左右方向をＺ軸とする。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の投影型表示装置は、光源部１と、光源部１からの光を画像パターンに応じて変調するライトバルブ２を備える。
ここで光源部１としてＲＧＢそれぞれのＬＥＤから発光後、混色し、偏光フィルタなどにより直線偏光として、ライトバルブへ一定の開口率にて照明するものとする。またＬＥＤの他にもレーザーダイオードなど各種光源を用いても良い。
ライトバルブとして透過型液晶デバイスを用いている。透過型液晶デバイスは透明な駆動基板と透明な対向基板との間に液晶を封入して構成されている。駆動基板の表面には複数の画素電極がマトリクス状に配置されており、この各画素へ任意の駆動電圧が印加されることにより光量調整を行い、画像を生成する。またこの他にも反射型液晶デバイスやデジタルマイクロミラーなどの画像形成方法を用いても良い。
【００１８】
また、本実施形態の投影型表示装置は、投影レンズ３と、印加される電圧に応じて光路長分布が変化する液晶光学素子５とを有する投影光学系７を備える。投影光学系７は、ライトバルブ２により変調された光をスクリーン４上に投影する。液晶光学素子５の詳細な構成については後述する。
さらに、本実施形態の投影型表示装置は、後述するように液晶光学素子５の光路長分布を変化させ、投影光学系７により投影される光の結像面の傾斜を制御するコントローラ６を備える。コントローラ６は制御手段の一例であり、液晶光学素子５の駆動電圧の制御を行う。
【００１９】
コントローラ６は、一連の制御を行うマイクロプロセッサと記憶手段を有する。記憶手段は、マイクロプロセッサが実行するプログラムや液晶光学素子５の最適な駆動電圧を求めるために必要な種々の関係などを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ部）と、マイクロプロセッサが作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ部）を有する。
【００２０】
次に、本実施形態の投影表示装置の液晶光学素子５の構成について説明する。図２は、液晶光学素子５の構成を示す図面である。図２（ａ）は平面図であり、説明のため、後述するストライプ状に並んで配設された透明電極１３ｂを示している。図２（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）、（ｂ）のＸ〜Ｚ軸は、図１のＸ〜Ｚ軸と対応している。
【００２１】
図２に示すように、液晶光学素子５は、２枚の透明基板１４ａ、１４ｂが枠状のシール１２を介して貼り合わされ、シール１２の内側領域に液晶１６が保持された構成を有する。一方の透明基板１４ａには、共通電極として、分割されていない一様な透明電極１３ａが形成されている。もう一方の透明基板１４ｂには、Ｙ軸方向に並んで配設されたストライプ状の透明電極１４ｂが形成されている。各透明基板１４ａ、１４ｂの透明電極１３ａ、１３ｂの上には、液晶層１６を所定の方向に配向させるための配向膜１５が形成されている。
【００２２】
透明基板１４ａ、１４ｂどうしの間隙は、例えばシール１２内に混入される円柱状、または球状のスペーサ（図示していない）によって規制される。また、同じようにシール１２内に混入される導電粒（図示していない）によって対向基板の導通は確保されている。またシール１２は、一部を開口して設けられた注入口を有する。注入口には、注入口を封止する封止材１１が充填されている。
【００２３】
また液晶を駆動するために各電極に印加される電圧は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。Ｙ軸上に並んで配置されたストライプ状の透明電極１３ｂに、それぞれ異なる電圧を印加して液晶の複屈折率差Δｎを変化させ、後述するような光路長分布を液晶層１６に形成する。
ここで液晶の配向について、ホモジニアス配向とする。しかしこれに限らず、ホメオトロピック配向、ツイストネマティック配向などの種々の方式としても良い。液晶による変調処理は、配向処理により規定された液晶分子の長軸方向と平行の偏光成分に対してなされる。
【００２４】
＜動作の説明：図３〜図４＞
次に、本実施形態の投影型表示装置の動作について説明する。図３は、本実施形態の投影型表示装置による投影動作の説明図である。図３は、スクリーン４が、投影レンズ３の光軸に対して正対した状態から、結像面の下端部Ｍを中心にＸ軸周りに角度θａだけ回転して傾斜した状態を示す。
【００２５】
上述した構成を備える本実施形態の投影型表示装置により、次のように画像がスクリーン上に投影される。まず、光源部１からライトバルブ２に光が照射される。光源部１から照射された光は、ライトバルブ２により画像パターンに応じて変調され、投影レンズ３と液晶光学素子５とを有する投影光学系７を通してスクリーン４へ投影される。
【００２６】
前述したように、投影レンズ３の光軸に対してスクリーン４が傾斜すると、投影レンズ３から出射される光の光路長が変化し、スクリーン４上で結像しなくなる。図３に示すように、スクリーン４が結像面の下端部Ｍを中心に回転して傾斜した状態では、投影レンズ３の下端から出射してスクリーン４の上端部へ進む光線の光路長が特に大きく変化し、焦点を結ばなくなる。投影レンズ３の下端部へは、図３に示すように、液晶光学素子５の下端部から出射された光が入射する。
【００２７】
ここで、図３において、ライトバルブ２から出射された光が、液晶光学素子５に入射する下端部をＹ軸の原点とする。
図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の投影型表示装置の液晶光学素子５における、Ｙ軸上の位置と液晶層に形成される光路長との関係（光路長分布）の例を示す説明図である。図４（ａ）は、液晶光学素子５の液晶層に形成される光路長分布を、連続した曲線で示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す光路長分布を分割し、段差を介して接続したフレネルレンズ状の曲線で示している。
【００２８】
液晶光学素子５の光路長は、”液晶層の厚み×液晶の複屈折率差Δｎ”で表される。よって、図２に示すＹ軸上に並んで配置されたストライプ状の透明電極１３ｂに、それぞれ異なる電圧を印加して液晶の複屈折率差Δｎを変化させ、図４（ａ）、（ｂ）に示すような光路長分布を液晶光学素子５の液晶層に形成する。ここで、図４（ｂ）に示すようなフレネルレンズ状の光路長の分布では、図４（ａ）と比較して、液晶層に形成される光路長の最大値と最小値の差を小さくすることができる。よって、図４（ｂ）に示すようなフレネルレンズ状の光路長分布では、液晶層を厚くすることなく、所望の光路長分布を形成することが可能となる。
【００２９】
本実施形態の投影型表示装置では、投影レンズ３から出射される光の光路長の変化に応じて、液晶光学素子５に光路長分布を形成することにより、投影レンズ３から出射される光の結像点までの距離を変化させる。
図３に示すように、スクリーン４が結像面の下端部Ｍを中心に回転して傾斜した状態では、投影レンズ３の下端へ行くに従って、出射される光の光路長が長くなる。このため、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、液晶光学素子５に、下端（Ｙ軸の原点）に行くに従って長くなるような光路長分布を形成することにより、投影レンズ３から出射される光の結像点までの距離が、光路長に応じた長さとなり、傾斜したスクリーン４上で像を結ぶ。
【００３０】
このように、本発明の投影型表示装置では、スクリーン４の傾斜により生じた光路長の変化を、液晶光学素子５に形成された光路長分布で補正することにより、投影レンズ３から出射される光がスクリーン４上で像を結ぶ。これにより、投影レンズ３の光軸に対してスクリーン４が傾斜した状態であっても、スクリーン４上に良好な結像を得ることが可能となる。
【００３１】
また、スクリーン４が投影レンズ３の光軸３に対して傾斜していることにより、スクリーン４上の投影画像は、歪んだ形状となる。このような投影画像の歪みは、ライトバルブ２であらかじめ変形させた画像を出力する等の各種の公知技術を用いることにより補正が可能である。
【００３２】
＜設計例：図５〜図１３＞
次に、本実施形態の投影型表示装置の具体的な設計例およびその動作について説明する。表１は、本実施形態の投影型表示装置の投影光学系７の設計例のデータである。ここに示す値において「曲率半径」、「面間隔」の単位はミリメートル（ｍｍ）である。また「面間隔」は光軸における間隔である。ここでレンズ面は非球面であるが非球面係数については省略した。
【００３３】
【表１】
2009229851.tif 000003
【００３４】
図５は、液晶光学素子５において、液晶層に形成される光路長分布の設計例を示す説明図である。図５は、スクリーン４の傾斜角：１５°、３０°、４５°、６０°のそれぞれの設計例を示す。ここで液晶光学素子５について、液晶層の厚みを２０μｍ、封入された液晶層の複屈折率の差Δｎを０．１とし、ホモジニアス配向とした。また、図５に示す各光路長分布は、下記の数１で示すような３次式で近似した。
【数１】
2009229851.tif 000004
Ｙ：Ｙ軸上の位置
ここで、液晶光学素子５の光路長分布は、数１に示すような３次式に限定されるものではなく、５次式等であっても良い。
【００３５】
スクリーン４の傾斜角θａが大きくなる従って、投影レンズ３から出射される光の光路長が長くなる。よって、図５に示すように、スクリーン４の傾斜角θａが大きくなるに従って、液晶光学素子５に形成される光路長も長くなる。
【００３６】
図６から図１３は、上述した本実施形態の投影型表示装置の設計例の、液晶光学素子５による補正動作のシミュレーション結果を示す図であり、スクリーン４の傾斜（１５°、３０°、４５°、６０°）について示す。液晶光学素子５による補正前のＭＴＦを破線で示し、液晶光学素子５による補正後のＭＴＦを実線で示す。図６から図９は、スクリーン４の中央部のシミュレーション結果を示す。また、図１０から図１３は、スクリーン４の上端部のシミュレーション結果を示す。
【００３７】
図６から図１３に示すように、本設計例により、スクリーン４の傾斜により生じた光路長の変化を、液晶光学素子５に形成された光路長分布で補正することにより、ＭＴＦが向上する。よって、本設計例により、投影レンズ３の光軸に対してスクリーン４が傾斜した状態であっても、スクリーン４上に投影される像の結像性能を向上させることが確認できる。
【００３８】
上述したように、本発明の投影型表示装置は、スクリーンの傾斜により生じた光路長の変化を、液晶光学素子に形成された光路長分布で補正する。これにより、投影レンズの光軸に対してスクリーンが傾斜した状態であっても、良好な結像を得ることが可能となる。
【００３９】
また、本発明の投影型表示装置は、スクリーンの傾斜角に合わせて、液晶光学素子の光路長分布が変更される。これにより、従来の投影型表示装置のように複数の光学部材を用いることなく、異なる傾斜角のスクリーンに対して良好な結像を得ることが可能となる。
【００４０】
また、本発明の投影型表示装置を備える携帯端末において、携帯端末を持った状態でスクリーン上に画像を投影した場合、手振れにより投影レンズの光軸に対してスクリーンが傾斜した状態となる。このような場合、携帯端末に備えられている傾斜センサーやカメラ画像などからスクリーンの傾斜角を求め、求めた傾斜角に基づいて液晶光学素子の光路長分布を形成することにより、リアルタイムでスクリーン上に良好な結像を得ることが可能である。
【００４１】
さらに、本発明の投影型表示装置は、投影レンズなどの組込誤差を、液晶光学素子の光路長分布により補正することにより、光学性能の劣化を防ぐことができ、量産工程における歩留まりを向上させることが可能となる。
【００４２】
上述した本発明の投影型表示装置の実施形態では、光路長分布が形成される液晶光学素子を１層備える例を示した。しかし、これとは別に、互いに直交する方向に配向処理されるとともに、互いに同じ方向に光路長分布が形成される２層の液晶光学素子を備えるとしてよい。この２層の液晶光学素子を、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光の変調素子として機能させることにより、偏光子を必要とせず、全ての偏光成分に対して結像面の補正を行うことが可能となる。
【００４３】
また、互いに同じ方向に配向処理されるとともに、互いに直交する方向に光路長分布が形成される２層の液晶光学素子を備えるとしてもよい。これにより、互いに直交する２軸のスクリーンの傾きに対して、結像面の補正を行うことが可能となる。
さらに、この互いに同じ方向に配向処理されるとともに、互いに直交する方向に光路長分布が形成される２層の液晶光学素子の組を、互いに直交する方向に配向処理されたもので２組備えるとしてもよい。この２組を、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光の変調素子として機能させることにより、互いに直交する２軸のスクリーンの傾きについて、全ての偏光成分に対して結像面の補正を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態の投影型表示装置の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態の投影型表示装置の液晶光学素子の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態の投影型表示装置に対してスクリーンが傾斜した状態を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態の投影型表示装置の液晶光学素子の光路長分布の例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態の投影型表示装置の液晶光学素子の光路長分布の設計例を示す説明図である。
【図６】スクリーン傾斜角が１５°でスクリーン中央部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図７】スクリーン傾斜角が３０°でスクリーン中央部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図８】スクリーン傾斜角が４５°でスクリーン中央部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図９】スクリーン傾斜角が６０°でスクリーン中央部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図１０】スクリーン傾斜角が１５°でスクリーン上端部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図１１】スクリーン傾斜角が３０°でスクリーン上端部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図１２】スクリーン傾斜角が４５°でスクリーン上端部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図１３】スクリーン傾斜角が６０°でスクリーン上端部における液晶光学素子の補正前後のＭＴＦを示す図面である。
【図１４】従来の投影型表示装置に対してスクリーンが傾斜した状態を示す説明図である。
【図１５】スクリーン中央部における、スクリーンの傾斜によるＭＴＦの劣化を示す図面である。
【図１６】スクリーン上端部における、スクリーンの傾斜によるＭＴＦの劣化を示す図面である。
【符号の説明】
【００４５】
１  光源部
２  ライトバルブ
３  投影レンズ
４  スクリーン
５  液晶光学素子
６  コントローラ
１１  封止材
１２  シール
１３ａ、１３ｂ  透明電極
１４ａ、１４ｂ  透明基板
１５  配向膜
１６  液晶層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009229851.tif 000014
【図１１】
2009229851.tif 000015
【図１２】
2009229851.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2009229851.tif 000019
【図１６】
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