JP2008033042A - 投影型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影型表示装置において、簡易な装置構成でスクリーンに投影される映像のフルカラー表示を実現する。
【解決手段】異なる３つの光学素子から出射されたレーザ光線Ａ，Ｂ，Ｃは、光線合成プリズム３Ａに入射される。光線合成プリズム３Ａに入射されたレーザ光線は、同一光軸上に重なり合わさる。この光軸を光線合成プリズム３Ａの出射面に対して垂直になるようにすると、レーザ光線は、光線合成プリズム３Ａより垂直に出射される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光線を走査してスクリーンに映像を投影する投影型表示装置に関する。

従来、スクリーンの前面又は背面より映像を投影する投影型表示装置は、スクリーンにフルカラーで映像を投影するために、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を合成する光学素子として、例えばダイクロイックミラーを用いていた。

例えば、特許文献１には、Ｒ光を発生させる光源、Ｇ光を発生させる光源、及びＢ光を発生させる光源と、Ｒ光を反射するダイクロイックミラーと、Ｇ光を反射してＲ光を透過するダイクロイックミラーと、Ｂ光を反射してＲ光及びＧ光を透過するダイクロイックミラーと、映像信号に応じて各光源における発光強度を変えるように駆動し、各色光の１次元状画像を形成する光源駆動回路とを備えるカラー投射型画像表示装置について記載されている。

特開２００６−１１２５９号公報

しかしながら、従来の技術では、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を合成するために多数の光学系を備える必要があり、装置構成を複雑化するものとなっていた。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、簡易な装置構成でスクリーンに投影される映像のフルカラー表示を実現する投影型映像装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、スクリーンに映像を投影する投影型表示装置において、それぞれ波長が異なる光線を出射する少なくとも３つの光源と、上記少なくとも３つの光源より出射された各光線を略平行光線に変換する少なくとも３つの光学素子と、上記少なくとも３つの光学素子よりそれぞれ異なる角度で入射された光線の光線束を１本の光線束に合成する光線合成手段と、上記光線合成手段より出射された光線を上記スクリーンに入射させるように走査する走査手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な光学系の構成でスクリーンに投影される映像のフルカラー表示を実現することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置１００の内部構成を示す図である。背面投影型表示装置１００は、Ｒ光を出射する光源１Ａと、Ｇ光を出射する光源１Ｂと、Ｂ光を出射する１Ｃと、光線束整形光学素子２１Ａ及び光線束変換光学素子２２Ａを備える光学素子２Ａと、光線束整形光学素子２１Ｂ及び光線束変換光学素子２２Ｂを備える光学素子２Ｂと、光線束整形光学素子２１Ｃ及び光線束変換光学素子２２Ｃを備える光学素子２Ｃと、光線合成素子３と、走査部４と、スクリーン導光ミラー５と、スクリーン６とを備えて構成される。

図２は、背面投影型表示装置１００のシステム構成を示す図である。背面投影型表示装置１００は、例えば、ビデオプレーヤ、ビデオカメラ、ビデオレコーダ、放送チューナ、インターネット等である映像信号発生装置１０１と接続されることにより、種々の映像信号を入力する。背面投影型表示装置１００は、映像信号発生装置１０１より入力された映像信号の信号処理を行う映像信号処理部１００Ａと、この映像信号に基づいて光源１を駆動する光源駆動部１００Ｂと、この映像信号に基づいて走査部４を駆動する走査駆動部１００Ｃとを備える。

光源１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、半導体レーザを直接変調して変調光であるレーザ光線を得る。光源１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、任意の発散角で変調された半導体レーザのレーザ光線であるＲ光、Ｇ光、Ｂ光をそれぞれ出射する。半導体レーザのレーザ光線における発散角は、水平方向と垂直方向とで異なるため、光線束の断面は楕円形になる。

なお、光源１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、半導体レーザ以外にガスレーザ、固体レーザ、発光ダイオード等でもよい。また、光学素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、シリンドリカルレンズ及び凸レンズを備えるとするが、これらに限られるものではなく、例えばプリズムを備えてもよい。

光源１Ａより出射されたＲ光のレーザ光線は、光線束整形光学素子２１Ａに入射され、光線束の断面が楕円形から円形へと整形される。光線束の断面が整形されたＲ光のレーザ光線は、光線束変換光学素子２２Ａに入射され、光線束の断面の直径が１ｍｍ以下である略平行光線に変換される。光線束変換光学素子２２Ａより出射された略平行光線は、光線合成素子３に入射される。

また、光源１Ｂより出射されたＧ光のレーザ光線は、光線束整形光学素子２１Ｂに入射され、光線束の断面が楕円形から円形へと整形される。光線束の断面が整形されたＧ光のレーザ光線は、光線束変換光学素子２２Ｂに入射され、光線束の断面の直径が１ｍｍ以下である略平行光線に変換される。光線束変換光学素子２２Ｂより出射された略平行光線は、光線合成素子３に入射される。

また、光源１Ｃより出射されたＢ光のレーザ光線は、光線束整形光学素子２１Ｃに入射され、光線束の断面が楕円形から円形へと整形される。光線束の断面が整形されたＢ光のレーザ光線は、光線束変換光学素子２２Ｃに入射され、光線束の断面の直径が１ｍｍ以下である略平行光線に変換される。光線束変換光学素子２２Ｃより出射された略平行光線は、光線合成素子３に入射される。

光線束変換光学素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃよりそれぞれ出射された異なる波長のレーザ光線をレーザ光線Ａ，Ｂ，Ｃとすると、レーザ光線Ａ，Ｂ，Ｃは、互いに異なる角度で光線合成素子３に入射される。

光線合成素子３に互いに異なる角度で入射されたレーザ光線Ａ，Ｂ，Ｃの光線束は、同一の光軸上を進む１つの光線束に合成され、走査部４により反射される。

走査部４は、反射鏡４１Ａ、及び、レーザ光線がスクリーン６の上下方向に入射されるように反射鏡４１Ａを走査する走査駆動部４１Ｂと、反射鏡４２Ａ、及び、レーザ光線がスクリーンの左右方向に入射されるように反射鏡４２Ａを走査する走査駆動部４２Ｂとから構成される。ここで、走査駆動部４１Ｂ及び走査駆動部４２Ｂは、走査駆動部１００Ｃに対応する。なお、走査部４は、反射鏡に替えて、例えばプリズム等を用いてもよい。

スクリーン導光ミラー５は、走査部４によって走査されたレーザ光線を反射し、スクリーン６の上下左右方向へとレーザ光線を入射させる。

スクリーン６には、走査部４によるレーザ光線の走査に基づいて映像が表示される。

ここで、光線合成素子３にプリズムを適用した場合について説明する。

図３に示すように、光学素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃから出射されたレーザ光線Ａ，Ｂ，Ｃは、光線合成プリズム３Ａに入射される。光線合成プリズム３Ａに入射されたレーザ光線は、同一光軸上に重なり合わさる。この光軸を光線合成プリズム３Ａの出射面に対して垂直になるようにすると、レーザ光線は、光線合成プリズム３Ａより垂直に出射される。

この光線合成プリズム３Ａへ入射する光線束の入射角を算出する方法について説明する。図４に示すように、光線束の屈折率がｎ_０である媒質Ａ０と、屈折率がｎ_１である媒質Ａ１との境界面を境界面Ａ１０とし、また、光線束が媒質Ａ０から境界面Ａ１０へ入射する際の入射角をθ_０、境界面Ａ１０から媒質Ａ１への出射する際の出射角度をθ_１とすると、スネルの法則より以下の数式（１）に示すような関係が成り立つ。

ｎ_０×ｓｉｎθ_０＝ｎ_１×ｓｉｎθ_１ （１）
光線合成プリズム３Ａは、波長が異なる光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃの光軸を同一の光軸に合成する。一般的に、同媒質中を進む光では、波長が短い程、屈折率は大きくなる。これにより、光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃの波長をそれぞれλ_Ａ，λ_Ｂ，λ_Ｃとし、媒質Ａ１における光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃの屈折率ｎ_１をｎ_１Ａ，ｎ_１Ｂ，ｎ_１Ｃとした場合、λ_Ｃ＜λ_Ｂ＜λ_Ａであるならば、ｎ_１Ａ＜ｎ_１Ｂ＜ｎ_１Ｃとなる。

この数式（１）におけるθ_０は、以下の数式（２）によって算出される。

θ_０＝Ｋｓｉｎ（ｎ_１／ｎ_０×ｓｉｎθ_１） （Ｋは定数） （２）
光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃを同一の光軸に合成するためには、数式（２）において、ｎ_１Ａ＜ｎ_１Ｂ＜ｎ_１Ｃの条件下で光線束Ａの出射角θ_１Ａ、光線束Ｂの出射角θ_１Ｂ、光線束Ｃの出射角θ_１Ｃを同一の値にするように光線束Ａの入射角θ_０Ａ、光線束Ｂの入射角θ_０Ｂ、光線束Ｃの入射角θ_０Ｃをそれぞれ算出する。

これより、光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃを同一の光軸に合成するためには、光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃの光線合成素子３に対する入射角をθ_０Ａ＜θ_０Ｂ＜θ_０Ｃにする必要がある。

また、上述した光線合成素子３に回折格子を適用した場合に、回折格子へ入射する光線束の入射角を算出する方法について説明する。

図５に示すような波長λの光線束における回折格子への入射角θ_０と出射角θ_１との関係は、以下の数式（３）に示される。

ｓｉｎθ_１−ｓｉｎθ_０＝ｎλ／ｄ （３）
ここで、ｎは回折次数、ｄは回折格子の格子間隔であり、ｎ，ｄともに定数である。

光線合成素子３に回折格子を適用した場合、光線合成素子３にプリズムを適用した場合と同様に、光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃを同一の光軸に合成するためには、数式（３）においてθ_１Ａ，θ_１Ａ，θ_１Ａを同一の値にする必要がある。

数式（３）においてλ_Ｃ＜λ_Ｂ＜λ_Ａの条件下でθ_１Ａ，θ_１Ｂ，θ_１Ｃを同一の値にするためのθ_０Ａ，θ_０Ｂ，θ_０Ｃを算出して光線を同一の光軸に一致させるように光線束Ａの入射角θ_０Ａ、光線束Ｂの入射角θ_０Ｂ、光線束Ｃの入射角θ_０Ｃをそれぞれ算出する。

ここで、光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃを同一の光軸に合成するためには、光線束Ａ、光線束Ｂ、光線束Ｃの光線合成素子３に対する入射角をθ_０Ａ＜θ_０Ｂ＜θ_０Ｃにする必要がある。

なお、光線合成素子３に用いた回折格子は、グレーティング型、スリット型、体積型等、何れであってもよい。

背面投影型表示装置１００では、スクリーン導光ミラー５の高さ方向の長さをスクリーン６の高さ方向の長さの１／２以上とする。これにより、背面投影型表示装置１００では、従来の背面投影型表示装置に比べて、スクリーン６に入射される光線の入射角を小さくすることができる。

以上のような構成を備える本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置１００では、従来の背面投影型表示装置に比べて大幅にスクリーン後方の奥行き距離を短縮することができる。

また、本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置１００では、従来の背面投影型表示装置に比べてスクリーンに入射される光線の入射角を小さくすることができ、これによりスクリーンにおける視野角を広げることができる。

また、本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置１００では、従来の背面投影型表示装置に比べて簡易な光学系の構成でスクリーンに投影される映像のフルカラー表示を実現することができる。

また、本発明を適用した第１の実施形態における投影型表示装置１００に用いられる光線合成素子３の形状は、従来の投影型表示装置で用いられている２つ乃至４つのプリズムを張り合わせて作るキューブプリズムと異なり、張り合わせを必要としない単純な形状である。従来のようにプリズムを張り合わせる場合、高い精度が要求され、また、張り合わせ面は、波長選択のための高価な反射膜が必要となる。これに対して、光線合成素子３は簡単な形状である上に、高価な波長選択反射膜を必要としないため、製造コストを低減することができる。

また、本発明を適用した第１の実施形態における投影型表示装置１００では、従来の投影型表示装置において光線を合成するために用いられていたような光学素子の数を大幅に削減することができることにより、光学系が占める容積を小さくすることができる。

また、本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置１００では、光源１に種々のレーザ又は発光ダイオードを用いるため、大画面のスクリーンにおいても極めて純度の高い色を再現することができる。

また、本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置１００では、光源１に種々のレーザ又は発光ダイオードを用いることにより、出射される光線の光線束断面においてスポット径の微細化（スポットサイズ＝１画素サイズ）が可能となり、ニュートンの結像関係を用いずにスクリーン６上で１画素として表示されるため、固定画素で表示するプラズマディスプレイや液晶ディスプレイや従来のプロジェクタよりも鮮明な映像を大画面のスクリーン６に表示することができる。

図６は、本発明を適用した第２の実施形態における背面投影型表示装置２００の内部構成を示す図である。なお、上述した背面投影型表示装置１００と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

背面投影型表示装置２００では、形状が、水平方向の曲率よりも垂直方向の曲率のほうが大きくスクリーン６に対して凹型のトーリック曲面であるスクリーン導光ミラー５０を備える。

スクリーン導光ミラー５０の形状を凹面のトーリック面とした場合、スクリーン６に入射されるレーザ光線の入射角の差を小さくすることができる。

なお、スクリーン導光ミラー５０の形状は、これに限られず、例えば、凹面の球面、凹面の自由曲面等、何れであってもよい。例えば、スクリーン導光ミラー５０の形状を凹面の球面とした場合、スクリーン６におけるレーザ光線の入射角の角度差をスクリーン導光ミラー５０の形状を凹面のトーリック面や自由曲面とした場合と同程度にするには、スクリーン６におけるレーザ光線の入射角の角度差をスクリーン導光ミラー５０の形状を凹面のトーリック面や自由曲面とした場合よりもスクリーン導光ミラー５０からスクリーン６までの距離を長くする必要がある。

本発明を適用した第２の実施形態における背面投影型表示装置２００では、スクリーン６に入射されるレーザ光線の入射角の差を小さくすることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

例えば、上述した実施の形態では、光源１Ａ，１Ｂ，１Ｃがそれぞれ半導体レーザを直接変調して出射するようにしたが、別の実施の形態として、少なくとも３つの無変調の光源からそれぞれ出射される各レーザ光線を変調する少なくとも３つの変調素子をさらに備えるようにしてもよい。これらの変調素子は、光源１Ａと光学素子２Ａとの間，光源１Ａと光学素子２Ｂとの間，光源１Ｃと光学素子２Ｃとの間にそれぞれ備えられて光学素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃに変調されたレーザ光線を供給するようにしてもよいし、光学素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃそれぞれの内部、外部問わず、光路中の何れの位置に配置されるようにしてもよい。

また、例えば、上述した実施の形態では、光線束変換光学素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを備えるようにしたが、別の実施の形態として、光線束整形光学素子２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃから出射されたレーザ光線の光線束をスクリーン６上で直径１ｍｍ以下の略焦点を結ぶ光線束に変換する光線束変換光学素子を備えるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態とは別の実施の形態として、光線束が略焦点を結んでスクリーンに入射するような曲率を有する曲面を走査部に備えるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、光源１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び光学素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えた光路を、例えば図１に示すように、スクリーン６後方の奥行き方向に配置したが、別の実施の形態として、光源１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び光学素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃを備えた光路を紙面垂直方向に折り曲げるようにしてもよい。これにより、スクリーン６後方の奥行き距離は、さらに短縮される。

本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置の内部構成を示す図である。 本発明を適用した第１の実施形態における背面投影型表示装置のシステム構成を示す図である。 光線合成プリズムの構成を示す図である。 光線合成プリズムへ入射する光線束の入射角を算出する方法を説明するための図である。 回折格子へ入射する光線束の入射角を算出する方法を説明するための図である。 本発明を適用した第２の実施形態における背面投影型表示装置の内部構成を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 光源、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 光学素子、３ 光線合成素子、４ 走査部、５ スクリーン導光ミラー、６ スクリーン、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ 光線束整形光学素子、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ 光線束変換光学素子

Claims (10)

1. スクリーンに映像を投影する投影型表示装置において、
   それぞれ波長が異なる光線を出射する少なくとも３つの光源と、
   上記少なくとも３つの光源より出射された各光線を略平行光線に変換する少なくとも３つの光学素子と、
   上記少なくとも３つの光学素子よりそれぞれ異なる角度で入射された光線の光線束を１本の光線束に合成する光線合成手段と、
   上記光線合成手段より出射された光線を上記スクリーンに入射させるように走査する走査手段と
   を備えることを特徴とする投影型表示装置。
2. 上記スクリーンの背面から映像を投影することを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
3. 上記スクリーンの前面から映像を投影することを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
4. 上記光源は、光線を直接変調して出射することを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
5. 上記少なくとも３つの光源より出射された各光線を変調する少なくとも３つの変調素子をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
6. 上記光線合成手段は、プリズムであることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
7. 上記光線合成手段は、回折格子であることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
8. 上記光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
9. 上記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
10. 上記走査手段は、反射面を有し、上記スクリーンの上下左右方向に上記略平行光線を走査するように当該反射面を駆動することを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。

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