JP2008112009A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、色再現範囲を広くするとともに、色強度にムラが無い投写型表示装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 この発明は、第１の光源１０と、第１の光源１０からの白色光を赤とシアンの２色に分解する第１の色分解光学系１５、１８と、第１の色分解光学系で分解されたそれぞれの色を色信号に対応して変調する第１、第２の液晶表示素子８０ａ、８０ｂと、第２の光源５０と、第２の光源５０からの白色光を青と緑の２色に分解する第２の色分解光学系５５、５８と、第２の色分解光学系で分解されたそれぞれの色を色信号に対応して変調する第３、第４の液晶表示素子８０ｃ、８０ｄと、第１ないし第４の液晶表示素子８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄで変調された変調光を合成する色合成手段６１、６４、６３と、この色合成手段からの合成光を拡大投写する投写レンズ７０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、カラー画像を表示する投写型表示装置に関する。

カラー表示が可能な投写型表示装置の典型的な構成としては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色を用いたものが知られている。図３は、従来の投写型表示装置としての、ダイクロイックプリズム方式の３板式液晶パネル（３ＬＣＤ）投写型表示装置を示す模式図である。

ダイクロイックプリズム方式の３ＬＣＤ投写型表示装置について、図３に従い説明する。３ＬＣＤ投写型表示装置１００の光源１０１は、高圧水銀ランプ１０１ａとこのランプ１０１ａから射出された白色光をほぼ平行光束化するパラボラ形状のリフレクタ１０１ｂで構成される。そして、光源１００から出射された光は、図示しないＵＶＩＲフィルタにて、ＵＶＩＲ成分を除去し、後段光学部材への熱負荷を低減している。

パラボラ形状のリフレクタ１００ｂにて平行光として出射された光は、凸レンズ群で構成された第１、第２のフライアイレンズ１０３、１０４からなるいわゆるフライアイインテグレータにて光束分割される。それぞれの光束は収束して偏光変換素子１０５に入射し、偏光方向が揃えられて出射される。

そして、偏光方向が揃えられた光はコンデンサーレンズ１０６等を通過した後、ダイクロイックミラー１０７によって赤から緑色帯域の光は透過し、青色帯域光は反射される。

ダイクロイックミラー１０７によって反射され、光路を９０度変えた青色帯域光は全反射ミラー１０８によって光路を９０度変え、フィールドレンズ１０９Ｂを介して青色帯域光成分画像を表示する青色用液晶表示素子１２０Ｂに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。

光変調された光は、ダイクロイックプリズム１２１に入射し、ダイクロイックプリズム１２１内で光路を９０度変えて投写レンズ１３０に入射し、拡大投影されスクリーン（図示しない）上に結像される。

一方、ダイクロイックミラー１０７を透過した赤〜緑色帯域光はダイクロイックミラー１１２に入射する。ダイクロイックミラー１１２は緑色帯域光を反射する特性を有しているため、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を９０度変え、フィールドレンズ１１９Ｇを介して緑色帯域光成分画像を表示する緑色用液晶表示素子１２０Ｇに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された緑色帯域光はダイクロイックプリズム１２１、投写レンズ１３０の順に入射し、拡大投影されスクリーン上に結像される。

ダイクロイックミラー１１２を透過した赤色帯域光は、レンズ１２３〜１２４や全反射ミラー１２６、１２７を経てフィールドレンズ１２９Rから赤色帯域光成分画像を表示する赤色用液晶表示素子１２０Ｒに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された赤色帯域光は、ダイクロイックプリズム１２１に入射し、ダイクロイックプリズム１２１で光路を９０度変えて投写レンズ１３０に入射し拡大投影されスクリーン上に結像される。

なお、液晶表示素子１２０Ｂ、１２０Ｇ、１２０Ｒの各々は、入射側偏光板ＰＩ、液晶ＬＣおよび出射側偏光板ＰＯからなる。液晶表示素子には、入射側偏光板ＰＩ、出射側偏光板ＰＯが設けられている。

上記した３ＬＣＤ投写型表示装置においては、ダイクロイックプリズムにより３原色の合成を行うため、１原色の光路長が他の２原色の光路長と異なる。上記した例においては、Ｇ光の光路長が他の２原色の光路長と異なり、リレー光学系を必要となる。また、色再現範囲も３原色色度座標により規定される色三角形の内部に限定され、ｘ−ｙ色度図の再現範囲より大幅に狭いのが現状である。図２にｘ−ｙ色度図（ＣＩＥ色度図）の模式図を示す。この図において、黒四角で従来の色分解によるＲ、Ｇ、Ｂ原色の色度を示している。

上記のように、３色に色分解する従来の投写型表示装置においては、色再現性が良好ではない。この問題点を解決するために、青、エメラルド、緑、赤の４色に色分解した投写型表示装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−２４１９０４号公報

上記した投写型表示装置においては、青、エメラルド、緑、赤の４色を用いているので、色再現範囲が３原色の色度範囲より広くなり、色再現性が良好になる。しかしながら、上記した投写装置においては、１つの光源からの光を色分解系で４つの色に分解している。このため、４つの原色の色範囲をそれぞれ適した色強度に規定するのが困難である。さらに、２色原色の光路長が他の２色原色の光路長とは相違し、色強度にムラが生じるおそれがある。

この発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、色再現範囲を広くするとともに、色強度にムラが無い投写型表示装置を提供することを課題とする。

この発明は、第１の光源と、この第１の光源からの白色光を第１色、第２色の２色に分解する第１の色分解光学系と、第１の色分解光学系で分解されたそれぞれの色を色信号に対応して変調する第１、第２の光変調素子と、第２の光源と、この第２の光源からの白色光を第３色、第４色の２色に分解する第２の色分解光学系と、第２の色分解光学系で分解されたそれぞれの色を色信号に対応して変調する第３、第４の光変調素子と、前記第１ないし第４の光変調素子で変調された変調光を合成する色合成手段と、この色合成手段からの合成光を拡大投写する投写手段と、を備えることを特徴とする。

前記第１の色分解系は、白色光を赤とシアンの２色に分解し、前記第２の色分解系は青と緑または黄の２色に分解するように構成することができる。

また、前記第１、第２の色分解系はそれぞれカットオフ周波数の異なる２つのダイクロイックミラーで構成することができる。

また、前記色合成手段は、赤の帯域光を反射しシアンの帯域光を透過する特性を有する第１のダイクロイックプリズムと、緑または黄の帯域光を反射し青の帯域光を透過する特性を有する第２のダイクロイックプリズムと、第１、第２のダイクロイックプリズムからの光を入射する偏向ビープスプリッタと、で構成することができる。

さらに、この発明は、前記第１のダイクロイックプリズムと偏向ビームスプリッタとの間に設けられる赤色からシアンまでの波長域の偏向面を回転させる第１のカラーローテータと、前記第２のダイクロイックプリズムと偏向ビームスプリッタとの間に設けられる青色から黄色までの波長域の偏向面を回転させる第２のカラーローテータと、を備えることを特徴とする。

この発明は、２つの光源を用い、各光源から２色ずつに色分解光学系で分割した後、映像変調素子で、各色の色信号で変調し、変調された光を色合成手段で合成するので、１灯に対する光量比を約１．５から約１．８倍程度に向上させることができる。また、２つの光源で、各光源で２つの色に分解するので、光路長を等しくて、光強度のムラを無くすことができる。

また、４つの色の色度を選択することにより、色再現範囲の大幅な拡大が可能となり、３色の構成では再現不可であった中間色の再現が可能となるとともに、２つの光源を用いているので、希望する色再現範囲の選択が容易になる。

この発明の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、この発明の第１の実施形態に係る投写型表示装置の構成を示す模式図である。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

この発明は、図１に示すように、２つの光源１０、５０を有し、第１の光源１０の光は色分解光学系で赤（Ｒ）とシアン（Ｃｙ）の２色に分解し、それぞれの光を光変調素子に与えて、各色の色信号で変調した後、色合成手段に与える。また、第２の光源５０は色分解光学系で青（Ｂ）と緑（Ｇ）の２色に分解し、それぞれの光を光変調素子に与えて、各色の色信号で変調した後、色合成手段に与える。光合成手段にて、４色の映像光を合成して、投射レンズ７０からスクリーンに投影するものである。即ち、この実施形態においては、２つの光源１０、５０を用い、各光源から２色ずつに色分解光学系で分割した後、映像変調素子で、各色の色信号で変調するものである。

この発明のように、２つの光源１０、５０を用いることにより、１灯に対する光量比が約１．８倍程度になる。また、分解する色を緑（Ｇ）を黄色（Ｙ）側にシフトすると色再現範囲を広げることができるが、この場合には、１灯に対する光量比が約１．５倍程度になる。そして、２つの光源を用いているので、希望する色再現範囲の選択が容易になる。

上記のことから、光量を優先するか色再現範囲を優先するかにより、色分解する４色を選択すればよい。以下、この発明の具体的実施形態につき、図１に従い更に説明する。

第１の光源１０は、高圧水銀ランプまたはキセノンランプで構成されるランプ１０ａとこのランプ１０ａから射出された白色光をほぼ平行光束化するパラボラ形状の金属製リフレクタ１０ｂで構成される。リフレクタとして金属リフレクタ１０ｂを用いているので、破損が防止され、またリフレクタ１０ｂの冷却特性が向上し、ランプ１０ａの再点灯可能な時間を短縮化できる。なお、金属製リフレクタ１０ｂは、可視光以外のＵＶＩＲ成分も全て前方へ反射させることになる。このため、図示はしないが、ＵＶＩＲ成分を除去するフィルタやコールドミラーなどを設け、ＵＶＩＲ成分を光路外に放出し、後段光学部材への熱負荷を低減するように構成している。

パラボラ形状のリフレクタ１０ｂにて平行光として出射された光は、凸レンズ群で構成された第１、第２のフライアイレンズ１１、１２からなるいわゆるフライアイインテグレータにて光束分割される。

第１のフライアイレンズ１１は、矩形状の輪郭を有する微小な小レンズが、縦方向にＭ行、横方向にＮ列のマトリクス状に配列されたものである。透過型液晶パネル８０ａおよび８０ｂの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。

第１のフライアイレンズ１１によって分割された部分光束は、第２のフライアイレンズ１２の複数のレンズによって、それぞれの光束は収束して偏光変換素子１３に入射し、偏光方向が揃えられて出射される。

偏光変換素子１３は、偏光ビームスプリッタアレイと、偏光ビームスプリッタアレイの光射出面の一部に選択的に配置されたλ／２位相差板と、を備えて構成されている。偏光ビームスプリッタアレイは、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の複数の透光性部材が、順次貼り合わされた形状を有している。透光性部材の界面には、偏光分離膜と反射膜とが交互に形成されている。λ／２位相差板は、偏光分離膜による透過光あるいは反射膜による反射光の射出面に選択的に貼り付けられる。

この入射光は、偏光分離膜によってＳ偏光とＰ偏光とに分離される。Ｓ偏光は、偏光分離膜によってほぼ垂直に反射され、反射膜によってさらに反射されて射出される。一方、Ｐ偏光は、偏光分離膜をそのまま透過する。偏光分離膜を透過したＰ偏光が射出される射出面には、λ／２位相差板が配置されており、偏光分離膜を透過したＰ偏光は、λ／２位相差板によってＳ偏光に変換されて射出される。したがって、偏光変換素子１３を通過した光は、そのほとんどがＳ偏光となって射出される。また、偏光変換素子１３から射出される光をＰ偏光としたい場合は、λ／２位相差板を、反射膜によって反射されたＳ偏光が射出される射出面に配置すればよい。

そして、偏光方向が揃えられた光はコンデンサーレンズ１４等を通過した後、第１のダイクロイックミラー１５に与えられる。この第１のダイクロイックミラー１５は、この実施形態においては、カットオフ周波数が５６０ｎｍのものを用いている。このため、黄から赤色（Ｒ）帯域の光は反射し、緑から紫色帯域の光は透過する。

ダイクロイックミラー１５によって反射され、光路を９０度変えた赤色帯域光を含む光は全反射ミラー１６によって光路を９０度変え、Ｒ光路コンデンサレンズ１７ａを介して赤色帯域光成分画像を表示する赤色用液晶表示素子８０ａに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。なお、Ｒ光路コンデンサレンズ１７ａには、カットオフ周波数６０５ｎｍのＲフィルタが成膜されており、赤色用液晶表示素子８０ａには、赤色帯域光成分が与えられる。

光変調された光は、ダイクロイックプリズム６１に入射する。このダイクロイックプリズム６１は、この実施形態においては、カットオフ周波数が５８０ｎｍのものを用いている。このため、ダイクロイックプリズム６１に入射された赤色光は反射され、光路を９０度代えて、Ｒ−Ｃｙカラーローテータ６２を経て偏光ビームスプリッタ６３に与えられる。この偏光ビームスプリッタ６３は、この実施形態においては、Ｐ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射する特性を有している。カラーローテータは、入射光の所定波長域の偏光面のみを９０度回転させる板状の光学要素である。この所定波長域は自由に設定することができる。、Ｒ−Ｃｙカラーローテータ６２は、赤色からシアンまでの所定波長域の偏光面のみを９０度回転させる板状の光学要素である。

このＲ−Ｃｙカラーローテータ６２を経た赤色光はＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ６３を透過し、投写レンズ７０に入射し、拡大投影されスクリーン（図示しない）上に結像される。

一方、第１のダイクロイックミラー１５を透過した緑から紫色帯域の光は第２のダイクロイックミラー１８に入射する。第２のダイクロイックミラー１８は、この実施形態においては、カットオフ周波数が４７０ｎｍのものを用いている。このため、シアン色の帯域光は反射し、青色帯域の光は透過する。ここでシアン色帯域光は反射され、その光路を９０度変え、コンデンサレンズ１７ｂを介してシアン色帯域光成分画像を表示するシアン色用液晶表示素子８０ｂに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調されたシアン色帯域光はダイクロイックプリズム６１に入射する。このダイクロイックプリズム６１をシアン色帯域光が透過し、Ｒ−Ｃｙカラーローテータ６２を経て偏光ビームスプリッタ６３に与えられる。このＲ−Ｃｙカラーローテータ６２を経たシアン色光はＰ偏光となり、偏光ビームスプリッタ６３を透過し、投写レンズ７０に入射し、拡大投影されスクリーン上に結像される。

上記した赤色（Ｒ）、シアン色（Ｃｙ）の２原色の色度は、Ｒ（６８５，３１５）、Ｃｙ（２０１，５５７）である。この赤色（Ｒ）とシアン色（Ｃｙ）を図に示す色度図上に黒丸で表示している。この２色の合成色度は、（３０２，５２２）となる。

次に、第２の光源５０は、第１の光源１０と同様に、高圧水銀ランプまたはキセンノンランプで構成されるランプ５０ａとこのランプ５０ａから射出された白色光をほぼ平行光束化するパラボラ形状の金属製リフレクタ５０ｂで構成される。この第２の光源５０部分にも図示はしないが、ＵＶＩＲ成分を除去するフィルタやコールドミラーなどを設け、ＵＶＩＲ成分を光路外に放出し、後段光学部材への熱負荷を低減するように構成している。

パラボラ形状のリフレクタ５０ｂにて平行光として出射された光は、第１の光源１０の照明系と同様に、凸レンズ群で構成された第１、第２のフライアイレンズ５１、５２からなるいわゆるフライアイインテグレータにて光束分割される。

第１のフライアイレンズ５１は、透過型液晶パネル８０ｃおよび８０ｄの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。

第１のフライアイレンズ５１によって分割された部分光束は、第２のフライアイレンズ５２の複数のレンズによって、それぞれの光束は収束して偏光変換素子５３に入射し、偏光方向が揃えられて出射される。

そして、偏光方向が揃えられた光はコンデンサーレンズ５４等を通過した後、第３のダイクロイックミラー５５に与えられる。この第３のダイクロイックミラー５５は、この実施形態においては、カットオフ周波数が５２０ｎｍのものを用いている。このため、緑（Ｇ）から赤色（Ｒ）帯域の光は透過し、青から紫色帯域の光は反射する。

ダイクロイックミラー５５によって反射され、光路を９０度変えた青色帯域光を含む光は全反射ミラー５６によって光路を９０度変え、Ｂ光路コンデンサレンズ５７ｃを介して青色帯域光成分画像を表示す青緑色用液晶表示素子８０ｃに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。

光変調された光は、ダイクロイックプリズム６４に入射する。このダイクロイックプリズム６４は、この実施形態においては、カットオフ周波数が５００ｎｍのものを用いている。このため、ダイクロイックプリズム６４に入射された青色光は透過し、Ｂ−Ｙｅカラーローテータ６５を経て偏光ビームスプリッタ６３に与えられる。Ｂ−Ｙｅカラーローテータ６５は、青色から黄色までの所定波長域の偏光面のみを９０度回転させる板状の光学要素である。

このＢ−Ｙｅカラーローテータ６５を経た赤色光はＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ６３で反射され，光路を９０度変えて、投写レンズ７０に入射し、拡大投影されスクリーン（図示しない）上に結像される。

一方、第３のダイクロイックミラー５５を透過した緑（Ｇ）から赤色（Ｒ）帯域の光は第４のダイクロイックミラー５８に入射する。第４のダイクロイックミラー５８は、この実施形態においては、カットオフ周波数が５８５ｎｍのものを用いている。このため、緑色の帯域光は反射し、赤色帯域の光は透過する。ここで緑色帯域光は反射され、その光路を９０度変え、コンデンサレンズ５７ｄを介して緑色帯域光成分画像を表示する緑色用液晶表示素子８０ｄに入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調された緑色帯域光はダイクロイックプリズム６４に入射する。このダイクロイックプリズム６４で緑色帯域光が反射し、Ｂ−Ｙｅカラーローテータ６５を経て偏光ビームスプリッタ６３に与えられる。このＢ−Ｙｅカラーローテータ６５を経た緑色光はＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ６３で反射し、投写レンズ７０に入射し、拡大投影されスクリーン上に結像される。

なお、図示はしていないが、上記した液晶表示素子には、入射側偏光板、液晶層、出射側偏光板が設けられている。

上記した緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の２原色の色度は、Ｇ（３６２，６２１）、青（１４２，０５３）である。この緑色（Ｇ）と青色（Ｂ）を図２に示す色度図上に黒丸で表示している。この２色の合成色度は、（２５６，３４６）となる。

この実施形態における４原色の合成色度（２７２，４０５）の状態では、１灯に対する光量比は約１．８倍となる。ｙ色度を０．３５近傍まで低下させた状態では、１灯に対する光量比は約１．５倍となる。

光量を優先するか色再現範囲を優先するかにより、色分解する色度を選択すれば、用途、好みにあった投写型表示装置が提供できる。

上記した実施形態においては、高圧水銀ランプのスペクトルに準拠して、４原色の色度等を算出したが、第１の光源１０の色分解光学系、第２の光源５０の色分解光学系に対して，最適化した分光特性のランプ或いは発光ダイオードアレイ、レーザアレイ等の固体光源を用いると緑（Ｇ）及びシアン（Ｃｙ）色度座標を更に外側に設定することが可能となり、色再現範囲の大幅な拡大が可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、プロジェクタ、リアプロジェクタなどの投写型表示装置に利用できる。

この発明の第１の実施形態に係る照明光学系をＵ字型配置にした投写型表示装置の構成を示す模式図である。 ｘ−ｙ色度図（ＣＩＥ色度図）の模式図である。 従来のダイクロイックプリズム方式の３ＬＣＤ投写型表示装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 第１の光源、１１、１２ フライアイレンズ、１３ 偏向変換素子、１５ 第１のダイクロイックミラー、１８ 第２のダイクロイックミラー、５０ 第２の光源、５１、５２ フライアイレンズ、５３ 偏向変換素子、５５ 第３のダイクロイックミラー、５８ 第４のダイクロイックミラー、６１ 第１のダイクロイックプリズム、６４ 第２のダイクロイックプリズム、６２、６５ カラーローテータ、６３ 偏向ビープスプリッタ、８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ 液晶表示素子、７０ 投写レンズ。

Claims (5)

1. 第１の光源と、この第１の光源からの白色光を第１色、第２色の２色に分解する第１の色分解光学系と、第１の色分解光学系で分解されたそれぞれの色を色信号に対応して変調する第１、第２の光変調素子と、第２の光源と、この第２の光源からの白色光を第３色、第４色の２色に分解する第２の色分解光学系と、第２の色分解光学系で分解されたそれぞれの色を色信号に対応して変調する第３、第４の光変調素子と、前記第１ないし第４の光変調素子で変調された変調光を合成する色合成手段と、この色合成手段からの合成光を拡大投写する投写手段と、を備えることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記第１の色分解系は、白色光を赤とシアンの２色に分解し、前記第２の色分解系は青と緑または黄の２色に分解することを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記第１、第２の色分解系はそれぞれカットオフ周波数の異なる２つのダイクロイックミラーで構成したことを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記色合成手段は、赤の帯域光を反射しシアンの帯域光を透過する特性を有する第１のダイクロイックプリズムと、緑または黄の帯域光を反射し青の帯域光を透過する特性を有する第２のダイクロイックプリズムと、第１、第２のダイクロイックプリズムからの光を入射する偏向ビープスプリッタと、で構成したことを特徴とする請求項２または３に記載の投写型表示装置。
5. 前記第１のダイクロイックプリズムと偏向ビームスプリッタとの間に設けられる赤色からシアンまでの波長域の偏向面を回転させる第１のカラーローテータと、前記第２のダイクロイックプリズムと偏向ビームスプリッタとの間に設けられる青色から黄色までの波長域の偏向面を回転させる第２のカラーローテータと、を備えたことを特徴とする請求項４に記載の投写型表示装置。

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