投射型映像表示装置
【課題】
周辺光量比を考慮した投射型映像表示装置又は色分離ユニットを提供する。
【解決手段】
投射型映像表示装置または色分離ユニットは、白色光源から入射した白色光を複数の色光に分離する色分離ユニットにおいて、映像表示素子に分離した色光を走査させる走査手段の走査方向に分離した色光を出射する出射面を配置し、少なくとも一色の色光に関し、出射面の中心から両側から出射する。
周辺光量比を考慮した投射型映像表示装置又は色分離ユニットを提供する。
【解決手段】
投射型映像表示装置または色分離ユニットは、白色光源から入射した白色光を複数の色光に分離する色分離ユニットにおいて、映像表示素子に分離した色光を走査させる走査手段の走査方向に分離した色光を出射する出射面を配置し、少なくとも一色の色光に関し、出射面の中心から両側から出射する。
【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て、スクリーン上に映像を投影する投射装置、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光学ユニット、投射型映像表示装置に係わり、色分離ユニットにより分離した色光を、映像表示素子上に走査する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、白色光源からの光をインテグレータ手段、偏光ビームスプリッタ(Polarization Beam Splitter:以下PBS)、コリメータレンズを通過させた後、複数のダイクロイックミラーを使用して短冊形状(帯状)のR光、B光及びG光に分離し、分離された各色光をそれぞれ回転多面体を用いて光路を変えて、ライトバルブ(映像表示素子)のそれぞれ異なった場所に同時に照射し、かつ、各色光の短冊形状の照射領域の場所を順次ライトバルブ(映像表示素子)上で一定方向に移動(「走査」または「スクロ−ル」ともいう)させるようにした単板式の投射型映像表示装置が、例えば特許文献1から特許文献3で知られている。
【0003】
特許文献1においては、回転多面体を用いた投射型表示装置が開示されている。この特許文献1は、RGBに色分離した各光路に、走査手段としての回転多面体を配置した構成となっている。
【0004】
次に、特許文献2においては、色分離ユニットとしてカラープリズムを用いた投射型表示装置が開示されている。この特許文献2は、走査手段としてのレンズアレイホイールを回転駆動する手段を配置した構成となっている。
【0005】
また、特許文献3においても、回転多面体を用いた投射型表示装置が開示されている。この特許文献3は、RBGに色分離した各色光を、単板の映像表示素子上に走査する構成となっている。特許文献3は分離した3色を1個の回転多面体で同時に走査する方式であり、特許文献1は分離した3色を各色光に対応したそれぞれの光路上に配置された計3個の回転多面体で個々に走査する方式である。
【0006】
【特許文献1】特開2004−170549号公報
【特許文献2】特開2003−149738号公報
【特許文献3】特開2003−255250号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
回転多面体を用いた投射型画像表示装置の小型化、コストダウンを考慮すると、複数の回転多面体を用いるより、一つの回転多面体で構成するのが好ましい。この意味では、例えば特許文献3の技術は好適に用いることができる。しかし、特許文献3では、色分離手段から回転多面体までの光路と、回転多面体からライトバルブまでの光路が独立しており、小型化を図る上で更なる工夫が必要である。
【0008】
また、これら投射型画像表示装置においては、分離した色別の周辺光量比を考慮していない。
【0009】
本発明は、周辺光量比を考慮した投写型映像表示装置または色分離ユニットを提供することを目的とする。または、小型化を考慮した投射型映像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】
【0010】
本発明の投射型映像表示装置または色分離ユニットは、白色光源から入射した白色光を複数の色光に分離する色分離ユニットにおいて、映像表示素子に分離した色光を走査させる走査手段の走査方向に分離した色光を出射する出射面を配置し、少なくとも一色の色光に関し、出射面の中心から両側から出射する。
【0011】
もしくは、本発明の投射型映像表示装置の色分離ユニットは、白色光源から入射した白色光から分離した少なくとも一色の色光に関し、走査手段に色光を写像する写像光学系の光学軸を中心にして両側から出射する。
【0012】
もしくは、本発明の色分離ユニットは、入射光を分離する色の数よりも多いカラーバーを出射面から出射する。または、少なくとも一色については複数のカラーバーとして出射する色分離ユニットである。
【0013】
もしくは、本発明の投射型液晶表示装置又は色分離ユニットは、入射光から複数色の色光に分離し、分離した各々の色光を出力する出射面を、両端を同じ色光が分離する出射面を配置して第1の方向に並べて有する。
【発明の効果】
【0014】
映像表示装置または色分離ユニットにおいて周辺光量比を改善することが可能である。または、映像表示装置の小型化を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明する。まず、図1から図11を用いて、本発明の一形態について説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度述べたものについては、その重複する説明を省略する。
【0016】
図1は、第一の実施の形態である走査式投射型映像表示装置の構成図である。以下の説明では、説明を容易にするために、各部において、光学軸方向をZ軸方向とし、光学軸に直交する平面をXY平面とし、図1紙面に垂直な方向をY軸方向(例えば紙面裏から紙面表に向かう方向)と定めるものとする。また、光学軸そのものは、Z軸と一致させる((x,y,z)=(0,0,±Z))。このように、便宜上光学系の光路が直線的に表示されているものとして説明する。
【0017】
図1の走査式投射型映像表示装置は、光学ユニット1、色分離ユニット2a、第1PBS51、回転多面体4、第2PBS52、映像表示素子6、投射レンズ7、その他各種レンズ、偏光板、ミラー等を有する。
【0018】
光源ユニット1は、白色光を出射し、ハロゲン化ランプ等の光源11とリフレクタ12(この図では楕円リフレクタを採用)を有する。リフレクタ12が楕円の場合、光源11は楕円の第1焦点位置近傍に配置される。リフレクタ12は、光源11から出射される略白色の光束を、第2焦点位置近傍に配置されている色分離ユニット2aの入射面に集光し、入射する。
【0019】
図1の色分離ユニット2aは、偏光変換素子21、ライトパイプ24、カラープリズム25aを有する。偏光変換素子21は、リフレクタが集光した光源ユニット1からの光束の偏光方向を所定偏光方向に揃える。偏光変換素子21は偏光分離プリズム211と1/2波長板212から実現される。ライトパイプ24は、出射側方向に断面積が次第に大きくなるインテグレータ素子を用いている。なお、図2に示す直方体を用いてよい。カラープリズム25aは、ライトパイプ24からの光をY軸方向(図1紙面に垂直な方向)に配列された短冊形状(帯状)の異なる色光(例えばR光,G光,B光の3色)に分離する色分離素子の一例である。以下、短冊形状(帯状)の色光を「カラーバー」と称する。なお、カラープリズム25aの詳細については、図2を用いて後述する。
【0020】
色分離ユニット2aに入射した光束は、最初に、偏光変換素子21で所定の偏光方向(ここではS偏光とする)に揃えられる。すなわち、偏光分離プリズム211で自然光がP偏光とS偏光に分離され、一方の偏光、図1ではP偏光の出射面に配置された1/2波長板212により、偏光状態がS偏光に揃えられる。次に、S偏光に揃えられた光束は、ライトパイプ24で内面反射を繰り返すことで、光量分布の一様化が図られる。最後に、偏光状態が揃えられ、光量分布の一様化が図られた白色光は、カラープリズム25aによりY軸方向に配列された3色の色光(例えばR、G、B光)のカラーバーに分離され出射する。カラーバーのうち、少なくとも1色の色光は複数本となっている。カラープリズム25a自体は、先に説明した特許文献3に記載されているものである。
【0021】
カラープリズム25aで分離された3色の色光(偏光状態はS偏光)のカラーバーは、縮小光学系31、光路折り曲げミラー32を介して、第1PBS51に入射する。第1PBS51に入射したS偏光の光束(カラーバー)は、偏光分離面で反射し、回転多面体4に向かう。第1PBS51が出射したS偏光の光束は、1/4波長板82を通過することで、円偏光に変換され、縮小光学系33を介して回転多面体4に入射する。その過程で、カラープリズム25aの出射面に形成された3つの色光のカラーバーは、回転多面体4の手前の空間に縮小光学系31、33によって写像され、空間像(図示せず)が形成される。
【0022】
空間像は、回転中心軸を光学軸(Z軸)方向に直交するX軸方向に持つ回転多面体4の表面の反射面41で反射し、光路を折り返す。1/4波長板82を再び通過することで、円偏光はP偏光に変換され、第1PBS51を透過する。第1PBS51を透過した光束は、1/2波長板83によりS偏光に変換される。そして、第2PBS52に入射したS偏光の光束は、偏光分離面で反射し、映像表示素子6に入射する。この過程により、回転多面体4の手前の空間に形成された空間像から、回転多面体4の反射面41で鏡面像(図示せず)が形成され、さらにこの鏡面像が拡大光学系33(ここでは光線方向が逆となるので拡大光学系として機能する)で拡大されて映像表示素子6上に写像される。
【0023】
映像表示素子6の各画素で反射する光線は、各画素がONの場合は、偏光状態がP偏光に変換されるので、今度は、第2PBS52を透過し投射レンズ7でスクリーン(図示せず)等に拡大投射される。また、各画素がOFFの場合は、偏光状態がS偏光のままなので、再び、第2PBS52の偏光面で反射し、光束はスクリーン等に拡大投射されない。
【0024】
なお、図1において、偏光板81は、色分離ユニット2aでS偏光に揃えられた光束に対して、P偏光の光線を遮光して第1PBSへの入射光の偏光状態の純度を改善するもので、偏光板84は第2PBS52を透過するS偏光を低減してコントラストを改善するものである。
【0025】
ここで、カラープリズムの色分離作用と、色分離後の周辺光量比について、図17乃至図26を用いて説明する。
【0026】
図17を用いて、色分離素子のカラープリズムの色分離作用を説明する。本出願人は、色分離素子から回転多面体までの光路と、回転多面体からライトバルブまでの光路を光路分岐手段(例えばPBS)で切替え、互いの光路が一部共通とする単板式の小型走査式投射型映像表示装置を特願2004−332043号として提案済みである。図17では、特願2004−332043号で本出願人が開示している色分離素子2dを用いて説明を行う。なお図17では、色分離ユニット2dを構成する偏光分離プリズムと1/2波長板を有する偏光変換素子の図示を省略している。
【0027】
図17において、第1カラープリズム251dのダイクロイック面は、ライトパイプ24で光量分布の一様化が行われた白色光のうち、特定の波長域内の第1の色光を透過させ、他の波長域の光束(第2の色光と第3の色光)を反射することで、第1の色光を分離する。次に、第2カラープリズム252dのダイクロイック面は、第2の波長域の色光を反射し、他の波長域の光束(第3の色光)を透過することで、第2の色光を分離する。第3カラープリズム253dのダイクロイック面は、第3の波長域の光を反射し、第3の色光として分離される。なお、第1の色光と、第2の色光と、第3の色光の間の波長域で不要な光束を別の手段でカットすることにより、第3カラープリズム253dのダイクロイック面は全反射ミラーに置換することもできる。以上述べたカラープリズム25dの色分離作用により、Y軸方向に配列された3つの色光のカラーバーがカラープリズム25dの出射面S25dから出射する。
【0028】
次に、上記したカラープリズム25dの出射面に形成される3つの色光のカラーバー(物体)の空間像と、図1における回転多面体4の反射面41による鏡面像と、映像表示素子6上の写像との関係について、図18を参照して説明する。図18は、回転多面体4の反射面41の近傍に写像した空間像と、走査空間像(鏡面像)の関係を模式的に示した図である。なお、回転多面体4の走査作用については、同図を用いて後述する。
【0029】
図18において、カラープリズム25dの出射面に形成されたカラーバーの像(縮小像、図示せず)は、第1の光学系としての縮小光学系31、33、光路折り曲げミラー32、さらに第1PBS51を経由して、回転多面体4の手前の空間に空間像280として形成される。回転多面体4の反射面41により空間像280の鏡面像290が反射面41の裏側に形成されるが、回転多面体4が回転することで反射面41も回転し入射角度が変化するので、鏡面像290は移動(走査)して走査空間像となる。さらに、第2の光学系としての拡大光学系33(縮小光学系の一部を兼用)と第2PBS52により、走査空間像の拡大像が映像表示素子6上に形成される。最後に、映像表示素子6で変調作用を受けたカラー映像は投射装置としての投射レンズ7により、スクリーン等の投射面に拡大投射される。
【0030】
上記説明では、第1の光学系として縮小光学系を、第2の光学系として拡大光学系を用いた例について説明したが、第1の光学系を拡大光学系とし、第2の光学系を縮小光学系とする組合せでも写像関係上は問題ない。ただし、縮小光学系と拡大光学系の組合せとすることで、回転多面体4の反射面41の近傍にできる空間像を小さくできるので、その結果、回転多面体4を小さくすることが可能である。
【0031】
次に、走査作用について説明する。
【0032】
引き続き、図18において、光学軸上の光線に対する走査量の説明である。反射面41を光学軸100に対して垂直に配置した場合は、物体と鏡面像の関係だけに着目すれば良い。図18において、反射面41の手前に形成された空間像は、空間像から反射面41までの距離Aと同じ距離で、反射面41の裏側に鏡面像が形成される。反射面の法線が光学軸100に対してなす角度がθの場合、光学軸上の光線は光学軸に対して角度2θで反射する。このとき反射光線は、図18の点線で示した鏡面像の箇所から出射した光線と等価となる。従って、この反射面41の角度を連続して変えることで、鏡面像からの出射位置を連続して変えることが可能となる。これが、走査作用の原理である。先に説明したθとAを用いて、走査空間像(鏡面像)での位置Yは、数1で定まる。
(数1)
Y=A・tan2θ
次に、図19を用いて光学軸上の光線L401と光学軸外の光線L402での走査作用について説明する。なお、ここでは、回転多面体4が回転12面体であるものとする。
【0033】
図19において、光学軸100上に回転12面体の相隣接する面の稜線が位置する場合の回転12面体401を点線で示す。また、反射面41が光学軸100に垂直となる位置、すなわち反射面41の法線が光学軸100となす角度が0度の場合の回転12面体402を実線で示す。
【0034】
光学軸100上の光線L401に対して反射面41の法線がなす角度が最大となるのは、光線L401が回転12面体401の相隣接する面の稜線近傍に入射する場合、すなわち点線で示した回転12面体401の反射面41に反射する場合である。実線で示した反射面41の位置を基準(回転角度0度)とすると、点線で示した回転12面体401の反射面41の法線と光学軸がなす角度、または回転12面体401の回転角度は±15度={(360÷12)/2}となり、従って、最大反射角度は2倍で±30度(走査範囲:−30度〜30度)となる。
【0035】
ところで、図19に示す光学軸外の光線L402は、光線はY軸方向に関して高さHで回転12面体に入射するので、光線L401と同じ±30度の最大反射角度では、光線L401と同じ範囲を走査できない。仮に、光学軸外の光線L402に対しては、図19に示すように、回転12面体402の光学軸上に位置する反射面の隣接した反射面(反射ミラー)側で光線が反射するものとすると、回転角度が30度(隣接した反射ミラーなので)となる。最大反射角度は2倍で60度となり、また、回転12面体402の光学軸上にある反射面側で反射した場合には回転角度が0度なので、反射角度は0度となる。従って走査範囲が0度〜60度となり、光線L401と同じ範囲の走査が可能となる。
【0036】
次に、図20から図26を用いて、出願人が新たに気付いた上記走査方式での課題について説明する。
【0037】
図20と図21は、光学軸外の光線での走査位置と反射角度の関係を模式的に示した図である。図20では入射光線L403と同じ側(光学軸100に対して)の走査空間像部2901を走査しており、図示の如く反射面の回転角度及び反射角度が小さくなる。一方で、図21では入射光線L403と反対側(光学軸100に対して)の走査空間像部2902を走査しており、図示の如く反射面の回転角度及び反射角度が大きくなる。即ち、Y軸方向に関して光学軸からはずれる光線の走査においては、走査範囲の一方での反射角度が小さく、逆の走査箇所では反射角度が大きいという非対称な関係にある。
【0038】
図22に、3つの色光に色分離されたカラーバーの空間像の各色光の中心位置(Y軸方向の座標:1.285mm、0mm、−1.285mm)から出射した光線が、回転多面体4の回転角度に対して走査空間像(鏡面像)形成する範囲を示す。なお、図22で、縦軸は走査範囲(単位:%)を示しており、±50%の範囲が、元の空間像の大きさに相当する。つまり、走査範囲は元の空間像の大きさで規格化されている。この規格化されたY座標を以下小文字のyで表すものとする。また、横軸は反射面の回転角度(単位:度)を示し、反射面が光学軸に対して垂直である場合に反射面の回転角度を0度としている。
【0039】
図22において、0mmの光線(光学軸上の光線)に対しては、回転角度に対する走査範囲が対称になっているが、それ以外の光線(±1.285mm)の光線に対しては、走査範囲に対して回転角度が、それぞれ片寄った値になっている。すなわち、+Y軸領域の光線においては−の回転角度よりとなり、−Y軸領域の光線においては、+の回転角度よりとなっている。
【0040】
上記の「走査作用の説明」において記述したように、走査範囲は数式1で求めることができる。ところで、回転多面体4は通常、一定の角速度で回転するので、Yをθで微分することで光量比を求めることができる。即ち、同じΔθに対して、ΔYが大きい場合は、速い速度で走査されるので、単位時間あたりの光量が小さく、逆に、ΔYが小さい場合は、単位時間あたりの光量が大きくなる。
【0041】
数式2は、数式1のYをθで微分すると得られる。上述したように逆数を取ることで光量となるが、θ=0のときの値で割って規格化すると数式3となる。
(数2)
ΔY/Δθ=2A/cos22θ
(数3)
光束量比=cos22θ
図23(1)は数式3をプロットした図であり、横軸は規格化された走査空間像位置座標y、縦軸は光量比である。また、図23(2)は実際に照明計算をした結果で、縦軸は映像表示素子上での相対光強度、横軸は映像表示素子上でのY軸座標である。図19から明らかなように、回転角度が大きいと、所定の走査範囲を走査していても周辺光量比が減少してしまう。
【0042】
そこで、図17のカラープリズム25dからの第1の色光、第2の色光、第3の色光の出射光についての照明計算の結果を図24、図25、図26に示す。これらの結果から、カラープリズム25dが映像表示素子6上にどのような光量分布を形成するかがわかる。
【0043】
図24は、第1の色光による映像表示素子6上での光量分布を表した図である。図24(1)は映像表示素子6上でのカラーバーの位置を示す図である。図24(2)は、映像表示素子6上での光量分布を等高線表示した図である。図24(3)は映像表示素子6上での光量分布を映像表示素子6のX軸(Y=0m)と映像表示素子6の上下端(Y=±5mm)を含む平面で切断した断面図である。図24(4)は映像表示素子6上での光量分布を映像表示素子6のY軸(X=0mm)と映像表示素子6の左右端(X=±8.9mm)を含む平面で切断した断面図である。なお、以下図25、26等においても、(2)〜(4)は各々(1)図に示すプリズムの位置での計算結果およびそれらの断面図を示したものである。
【0044】
図24(1)において、符号3−1は3分割されたカラーバーの1番目を意味する。第1のカラーバー3−1は光学軸100に対してY軸の+(プラス)側(以下、「Y+側」と記す)にある。なお、光学軸に対してY軸の逆側を「Y−側」と記す。図24(3)においても同様に、光学軸中心(X−Y座標の原点に対してX座標の+側を「X+側」、X座標の−側を「X−側」と記す。図1の投射型映像表示装置では、一旦、第1の光学系としての縮小光学系で像が反転し、さらに、第2の光学系としての拡大光学系により像が再び反転する。従って、図24(4)において、Y+側にあるプリズムによって分離された第1の色光については、第1の色光のカラーバー3−1があるY+側で回転角度θが小さく、光量分布もY+側が大きくなる。逆に、回転角度θが大きくなるY−側では、光量分布が小さくなる。
【0045】
図25は、第2の色光による映像表示素子6上の光量分布を表した図である。同図において、符号3−2は3分割したカラーバーの2番目を意味する。第2の色光の場合は、カラーバーの中央付近に光学軸があるので、光量分布もY+側とY−側で対称になっている。
【0046】
最後に、図26は、第3の色光による映像表示素子6上の光量分布を表した図である。同図において、符号3−3は3分割したカラーバーの3番目を意味する。第3の色光の場合は、カラーバーが光学軸100に対し、ちょうど第1の色光の対称となる位置にあるので、光量分布も第1の色光と逆に、Y+側が小さく、Y−側が大きくなる。
【0047】
このように、回転多面体による走査方式においてカラーバーを3分割した場合には、所定の範囲を走査していても、回転角度が大きいと、Y軸に関して+領域と−領域で光量の減少に違いが生じてしまい、光量比に劣化が生じる。この現象は、回転多面体による反射光を入射光側に反射させる上記した走査式投射型映像表示装置に限定されるものではなく、特許文献1や特許文献3のように、入射光と反射光の光路が異なる走査式投射型映像表示装置においても生じてしまう。
【0048】
図2は、このような周辺光量比の劣化パターンの特徴に着目し、分割数を3分割から6分割に増加した色分離ユニット2aの一例である。
【0049】
色分離ユニット2aにおける色光の配置方法等の詳細については後述するが、まず、分割したカラーバーの各々の領域における照明結果を図3乃至図8に示す。この照明結果から第1の領域から第6の領域の出射光が、映像表示素子6上にどのような光量分布を形成するかがわかる。第1の領域から第6の領域と記述したのは、第1の領域から第6の領域の中に同じ波長域の色光があるので、混乱を避けるために、色光ではなく領域として記述している。また、図3から図8において、符号6−iは映像表示素子6上での6分割されたカラーバーの第iの領域を示す。但し、iは1乃至6のいずれかの整数である。
【0050】
図3乃至図8においても、カラーバーの3分割の結果と同様に、Y+側に配置した第1の色光から第3の色光では周辺光量比はY+側が大きく、逆に、Y−側に配置した第4の色光から第6の色光では周辺光量比はY−側が大きくなる。特に、Y+の端の領域にあたる第1の色光と、Y−の端の領域に当たる第6の色光においてその傾向は顕著である。
【0051】
各々の領域での特徴を踏まえ、分割したカラーバーに対する色光の配置を行ったものが、図2の色分離ユニット2aである。図2は、本実施の形態による色分離ユニットのYZ断面図である。図2は、本実施の形態による色分離ユニット2aのYZ断面図である。なお、図2において、偏光変換素子21の図示を省略している。
【0052】
図2において、ライトパイプ24に入射した光束は光量の一様化作用を受けた後で、カラープリズム25aに入射する。カラープリズム25aは、Y軸方向に略45度傾斜した複数の色分離膜251a,252a,253aが所定間隔でY軸方向に6層に積層されたプリズムであり、光学軸100に対して前記色分離膜251a、252a、253aが対称(詳細に述べるならば光学軸100を含むXZ平面に対して対称)に配置されている。光学軸100は、図1における第一の写像光学系の光学軸である。または、Y軸方向(すなわち、図1の多面反射体による走査方向)に配置された色分離膜251a,252a,253a等が、その配置の中心を挟んで、Y軸方向の両側に配置されている。このように、図2紙面で光学軸100に対して、Y+側では光学軸側から順に偏光分離膜253a、252a、251aと配置されており、Y−側では光学軸側から順に偏光分離膜253a、252a、251aと配置されている。そして、Y+側とY−側では色分離膜のY軸方向に対する傾斜が90度異なっている。つまり、色分離膜はY+側では光学軸(Z軸)に対して略45度、Y−側では略−45度傾斜している。
【0053】
第3の色分離膜253aは第3の色光(第3の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射する色分離膜である。第2の色分離膜252aは第2の色光(第2の波長域)の色光を反射しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を透過する色分離膜である。第1の色分離膜251aは、第1の色光(第1の波長域)の色光を反射しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を透過する色分離膜である。
【0054】
カラープリズム25aが上記のように構成されているので、ライトパイプ24からカラープリズム25aに入射した白色の光束のうち、第3の色分離膜253aにより、第3の色光が透過して出射し、それ以外の色光は、それぞれY+側(以下、単に「上」と記す)あるいはY−側(以下、単に「下」と記す)に反射される。上(下)に反射された光束は、第2の色分離膜252aにより、第2の色光の色光のみが反射して出射し、それ以外の色光は透過する。第2の色分離膜252aを透過した色光のうち、第1の色分離膜251aにより、第1の色光は反射して出射し、それ以外の色光は透過する。なお、第1の色分離膜251aを反射ミラーで構成し、第2の色分離膜252aを透過した残光を反射する構成としてもよい。
【0055】
このように、図2の光分離ユニット2aでは、6分割した第1番目と第6番目に第1の色光を配置し、第2番目と第5番目に第2の色光を配置し、そして、第3番目と第4番目に第3の色光を配置している。または、光学軸100を通る第3の色光を出射する出射面を中心に、両側(±Y軸方向)に第2の色光を出射する出射面、第1の色光を出射する出射面を配置している。このような配置により、光学軸100に対して対称に第3の色光と、第2の色光と、第1の色光とを分離して色分離ユニット2aから出射することができる。
【0056】
図2の色分離ユニット2aを用いた投射型映像表示装置での映像表示素子6での光量分布について図9から図11を用いて説明する。
【0057】
図9は、第1番目と第6番目に配置した二つのカラーバーによる光量分布である。カラーバーとして、Y+側とY−側にそれぞれカラーバー6−1,6−6を配置することで、Y軸方向の光量分布が対称となり、図24の場合に比べ、光量分布における周辺光量比を改善することができる。
【0058】
図10は、第2番目と第5番目に配置した二つのカラーバーによる光量分布である。カラーバー6−2,6−5をY+側とY−側にそれぞれ配置することで、光量分布における周辺光量比の改善が可能である。同様に、図24の光量分布と比べればその改善効果は顕著であることが分かる。
【0059】
最後に図11は、上から第3番目と第4番目に配置したカラーバーによる光量分布である。6分割の第3番目と第4番目は、3分割での第2番目即ち、図25と等価になる。図25は3分割で唯一、Y+側とY−側にカラーバーを配置できていた色光の光量分布であり、図17の光分離ユニット2dにおいては、周辺光量比が一番良かったものである。即ち、3分割した光分離ユニット2dにおいて一番良かった領域の周辺光量比が、本実施の形態では一番悪い周辺光量比になったわけである。
【0060】
カラーバーの1周期当たりの色の順番は、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第2の色光、第1の色光であり、その繰り返しとなる。従って、映像表示素子6を駆動する制御回路では、5回の色の制御をする必要があるように思えるが、最初の第1の色光と最後の第1の色光は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子6を駆動する制御回路では、4回の色の制御を行えば良いという効果が得られる。その構成を図27に示す。
【0061】
図27は、図17の光分離ユニット2dにおける映像表示素子6を駆動する際の色制御の切替えクロックのタイムチャートを示す。同様に図28は、図2の光分離ユニット2aにおけるタイムチャートを示す。
【0062】
図27(1)は、映像表示素子6上の3分割された領域の1つに対する横軸に制御回路の駆動時間を、縦軸に色別の駆動信号の出力を示す。映像表示素子6の垂直走査を行うために必要な時間を回路制御の1周期とする。図17の光分離素子を扱う場合、カラーバーが1周する周期(スクロール1周期分)と回路制御の1周期を同じタイミングで実行させている。映像表示素子一画面において、スクロールを3回実行する。図27(2)は、画面上の色光の変化を示す。例えば、図27(2)の上部領域に着目すると、回路制御1周期分でR⇒B⇒Gの順番で3回の切替えが行われ、1画面全体に対して3色全ての信号で駆動されることになる。
【0063】
図28(1)は、図2の光分離ユニット2aを用いた場合の映像表示素子6の駆動を示す図である。光分離分離ユニット2aは出力面が6分割された領域から、例えばY軸上からG⇒B⇒R⇒R⇒B⇒Gの配置の色光が出力される。カラーバー1周期において、例えば映像表示素子6の一番上の領域では、図28(2)に示すように、G⇒B⇒R⇒B⇒Gの順で4回の切替えが行われる。しかしながら本実施の形態では、図27(1)と異なり、カラーバー1周期と、回路制御1周期をずらして行う構成である。
【0064】
例えば図2の色分離ユニット2aの場合、ユニットの両端が同じ第1の色光である。映像表示素子6として例えば液晶素子を用いた場合、色光の駆動を切替えた場合、制御応答に所定時間が必要となる。即ち、一端の第1のカラーバーで駆動を一旦OFFにすると、もう一方の端で駆動をONにするまでの時間、液晶での十分な反射性能が得られない。従って、色の切替え制御が少ないほど処理速度を向上させることができる。このような液晶素子の特徴を踏まえ、図2のように両端が同色のカラーバーの配置し、両端のカラーバーに対して1つの駆動サイクルに含まれるように、回路制御の周期をカラーバーの周期に対してずらしている。このような構成によって、回路制御1周期における色切替えの回数を少なし、全体としての制御時間の増加をある程度抑制しつつ、周辺光量比を改善するというトレードオフを実現している。
【0065】
次に、第2の実施の形態について、図12を用いて説明する。図12は図1に適用する色分離ユニット2aに代えて、色分離ユニット2bを用いたものである。従って、写像関係、偏光作用、走査作用は本実施の形態においても、図2に同じであり、その重複する詳細な説明を省略し、以下では、本形態の特徴である色分離ユニットでの色分離作用について、説明する。
【0066】
図12において、色分離ユニット2bは、偏光変換素子21(図示省略)と、ライトパイプ24と、ライトパイプ24の入射側端面に設けられ、光学的な穴の開いた入射開口231、および入射開口231以外の領域に対応して設けられた全反射ミラー232を有する入射開口板23と、ライトパイプ24の出射側端面に設けられ、ライトパイプ24からの光をY軸方向に配列された6つの短冊形状(帯状)の異なる色光のカラーバーに分離する色分離素子であるダイクロイックミラー26bを有する。
【0067】
ダイクロイックミラー26bは、光学軸(Z軸)100に対して対称に、かつ光学軸側から順に配置された第3のダイクロイックミラー263bと、第2のダイクロイックミラー262bと、第1のダイクロイックミラー261bとで構成される。
【0068】
第3のダイクロイックミラー263bは、第3の色光(第3の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射させ、第2のダイクロイックミラー262bは、第2の色光(第2の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射させ、第1のダイクロイックミラー261bは、第1の色光(第1の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射させるダイクロイックミラーである。
【0069】
ライトパイプ24の入射側端面に配置された入射開口板23の全反射ミラー232は、ダイクロイックミラー26bで反射された光束を再びライトパイプ24の出射側に反射するものである。
【0070】
次に、色分離ユニット2bの機能について説明する。偏光変換素子21(図12での図示省略)で所定偏光方向に揃えられた後、入射開口板23の入射開口231を介してライトパイプ24に入射した光束は光量の一様化作用を受けた後で、ダイクロイックミラー26bに入射する。ダイクロイックミラー26bを構成する第1のダイクロイックミラー261bでは、入射した白色光束のうち第1の色光のみを透過して出射し、それ以外の色光を反射する。また、第2のダイクロイックミラー262bでは、入射した白色光束のうち第2の色光のみを透過して出射し、それ以外の色光を反射する。同様に、第3のダイクロイックミラー263bでは、入射した白色光束のうち第3の色光のみを透過して出射し、それ以外の色光を反射する。
【0071】
ところで、本実施の形態においては、ライトパイプ24の入射側端面には、光学的な入射開口231と全反射面232を有する入射開口板23を配置している。従って、上記ダイクロイックミラー261bからダイクロイックミラー263bで反射され、ライトパイプ24の入射側端面に戻った光束の大部分(面積比分)は、再び全反射ミラー232で反射される。以下、この繰り返しとなり、ライトパイプ24に入射した大部分の光束が色分離ユニット2bから出射することになる。このように、色分離ユニット2bは、ダイクロイックミラー26bで反射された光をリサイクルすることで光利用効率を向上させることができる。
【0072】
第1の色光から第3の色光の出射位置は、色分離ユニット2aと同様に、光学軸100に対して対称となるように配置している。従って、色分離ユニット2bを用いた投射型映像表示装置における映像表示素子6での光量分布は、色分離ユニット2aを用いた投射型映像表示装置での光量分布と同様の結果となる。また、色分離ユニット2aの場合と同様に、3分割で一番良かった周辺光量比が、図17の例での一番悪い周辺光量比にとなる。
【0073】
また、映像表示素子6を駆動する制御回路では、5回の色の制御をする必要があるように思えるが、最初の第1の色光と最後の第1の色光は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子6を駆動する制御回路では、4回の色の制御を行えば良い。
【0074】
次に、図13を用いて、色分離ユニットの他の実施の形態について説明する。
【0075】
図13の色分離ユニット2cは、図12の実施の形態と基本的な構成は同じである。但し色分離ユニット2cは、6分割の第1番目と第6番目に第1の色光を配置し、第2番目と第3番目に第2の色光を配置し、そして、第4番目と第5番目に第3の色光を配置している。
【0076】
色分離ユニット2cを用いた投射型映像表示装置での映像表示素子6での光量分布について図14から図16を用いて説明する。
【0077】
図14は、第1番目と第6番目に配置したカラーバー6−1,6−6による光量分布である。カラーバーをY+側とY−側にそれぞれ配置することで、光量分布における周辺光量比を改善することができる。図20の光量分布と比べればその改善効果は顕著であることが分かる。
【0078】
また、図15は、第2番目と第3番目に配置したカラーバーによる光量分布である。カラーバー6−2,6−3をY+側のみに配置しているので大きな改善効果はないが、図24の光量分布と比べれば改善効果は得られている。これは、図20での回転角度に比べて、図10の回転角度を小さくできた効果である。
【0079】
最後に、図16は、第4番目と第5番目に配置したカラーバーによる光量分布である。カラーバー6−4,6−5をY−側のみに配置しているので大きな改善効果はないが、図24の光量分布と比べれば改善効果は得られている。図15と同様に、図24での回転角度に比べて、図16の回転角度を小さくできた効果である。
【0080】
また、カラーバーの1周期当たりの色の順番は、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第1の色光であり、その繰り返しとなる。従って、映像表示素子6を駆動する制御回路では、4回の色の制御をする必要があるように思えるが、最初の第1の色光と最後の第1の色光は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子6を駆動する制御回路では、3回の色の制御を行えば良い。即ち、図17の3分割の場合と同じ色の制御で良いという効果がある。
【0081】
次に、上記図2の光分離ユニット2aの他の色光配置例を説明する。図29〜図31、また図32、33の配置例では、各々色光の配置を光学軸対称とならない配置としている。前者にでは、光学軸を挟んで±Y軸方向に各々3種類の色光を配置している点では図2の例と同様であるが、配置順がY軸上から順に、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第1の色光、第2の色光、第3の色光としている。図29は、第1の色光についてのラスタ性能図であり、図30は、第2の色光のラスタ性能図、図31は、第3の色光のラスタ性能図である。
【0082】
図32、33は、色配置をY軸上から順に、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第3の色光、第1の色光、第2の色光とした場合の、ラスタ性能図であり、具体的には図32は第1の色光のラスタ性能図、図33は第2の色光のラスタ性能図である。なお、第3のラスタ性能図については、図11と同様のため省略する。
【0083】
図24乃至26と比較すると、両者の色配置とも、周辺光量比が向上していることがわかる。特に後者の色配置においては、図2の色配置に近い改善を図ることが可能である。これは、色配置が、図29乃至31の配置と比較すると、光学軸に対し略対称の配置となっているからである。このように光学軸に対しY軸方向に関して対称に近い色配置にするほど、回転角度を小さくすることができ、さらには周辺光量比を改善することが可能となる。
【0084】
以上のように各実施の形態について説明したが、本発明は下記の観点から捉えることも可能である。
白色光源と、該白色光源の出射光から映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、該白色光源から放射される可視光束を複数の色光に分離する色分離ユニットと、該色分離ユニットの出射面から出射された各複数色の光を該映像表示素子上で移動(走査)させる走査手段と、該色分離ユニットにより分離したカラーバーを該走査手段の近傍に写像する第1の写像光学系と、該走査手段により走査されたカラーバーを該映像表示素子に写像する第2の写像光学系と、該映像表示素子から出射された光をカラー映像として投射する投射装置を備えた投射型映像表示装置において、該色分離ユニットは、該色分離ユニットの出射面から出射する複数の色光、または複数の色光の少なくとも一部、あるいは、複数の色光の一つを、該第1の写像光学系の光学軸を挟んでそれぞれ両側に配置したことを特徴とする投射型映像表示装置。
【図面の簡単な説明】
【0085】
【図1】投射型映像表示装置の構成図の一例である。
【図2】色分離ユニットの第1の構成例である。
【図3】6分割カラーバーの第1領域のラスタ性能図である。
【図4】6分割カラーバーの第2領域のラスタ性能図である。
【図5】6分割カラーバーの第3領域のラスタ性能図である。
【図6】6分割カラーバーの第4領域のラスタ性能図である。
【図7】6分割カラーバーの第5領域のラスタ性能図である。
【図8】6分割カラーバーの第6領域のラスタ性能図である。
【図9】図2の色分離ユニットでの第1の色光のラスタ性能図である。
【図10】図2の色分離ユニットでの第2の色光のラスタ性能図である。
【図11】図2の色分離ユニットでの第3の色光のラスタ性能図である。
【図12】色分離ユニットの第2の構成例である。
【図13】色分離ユニットの第3の構成例である。
【図14】図13の色分離ユニットでの第1の色光のラスタ性能図である。
【図15】図13の色分離ユニットでの第2の色光のラスタ性能図である。
【図16】図13の色分離ユニットでの第3の色光のラスタ性能図である。
【図17】3分割の色分離ユニットの説明図である。
【図18】走査方式の原理の説明図である。
【図19】回転多面体での走査の説明図である。
【図20】空間像と反射角度の第1の説明図である。
【図21】空間像と反射角度の第2の説明図である。
【図22】回転角度と走査量の関係を説明する図である。
【図23】走査方式におけるtangent作用を説明する図である。
【図24】図17の3分割色分離ユニットでの第1の色光のラスタ性能図である。
【図25】図17の3分割色分離ユニットでの第2の色光のラスタ性能図である。
【図26】図17の3分割色分離ユニットでの第3の色光のラスタ性能図である。
【図27】図17の色分離ユニットを採用する場合の液晶表示素子の制御回路の制御内容を示す図である。
【図28】図2の色分離ユニットを採用する場合の液晶表示素子の制御回路の制御内容を示す図である。
【図29】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第二の例でのラスタ性能図を示す。
【図30】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第二の例でのラスタ性能図を示す。
【図31】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第二の例でのラスタ性能図を示す。
【図32】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第三の例でのラスタ性能図を示す。
【図33】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第三の例でのラスタ性能図を示す。
【符号の説明】
【0086】
1…光源ユニット、11…光源、12…リフレクタ、2a,2b,2c,2d…色分離ユニット、21…偏光変換素子、211…偏光分離プリズム、212…1/2波長板、23…入射開口板、231…入射開口、232…全反射ミラー、24…ライトパイプ、25…カラープリズム、26…ダイクロイックミラー、31、33…縮小光学系、32…光路折り曲げミラー、33…拡大光学系(光路共通化による兼用)、4…回転多面体、51…第1PBS、52…第2PBS、6…映像表示素子、7…投射レンズ、81…偏光板、82…1/4波長板、83…1/2波長板、84…偏光板、100…光学軸、280…空間像、290…鏡面像(走査空間像)
【技術分野】
【0001】
本発明は、映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、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光学ユニット、投射型映像表示装置に係わり、色分離ユニットにより分離した色光を、映像表示素子上に走査する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、白色光源からの光をインテグレータ手段、偏光ビームスプリッタ(Polarization Beam Splitter:以下PBS)、コリメータレンズを通過させた後、複数のダイクロイックミラーを使用して短冊形状(帯状)のR光、B光及びG光に分離し、分離された各色光をそれぞれ回転多面体を用いて光路を変えて、ライトバルブ(映像表示素子)のそれぞれ異なった場所に同時に照射し、かつ、各色光の短冊形状の照射領域の場所を順次ライトバルブ(映像表示素子)上で一定方向に移動(「走査」または「スクロ−ル」ともいう)させるようにした単板式の投射型映像表示装置が、例えば特許文献1から特許文献3で知られている。
【0003】
特許文献1においては、回転多面体を用いた投射型表示装置が開示されている。この特許文献1は、RGBに色分離した各光路に、走査手段としての回転多面体を配置した構成となっている。
【0004】
次に、特許文献2においては、色分離ユニットとしてカラープリズムを用いた投射型表示装置が開示されている。この特許文献2は、走査手段としてのレンズアレイホイールを回転駆動する手段を配置した構成となっている。
【0005】
また、特許文献3においても、回転多面体を用いた投射型表示装置が開示されている。この特許文献3は、RBGに色分離した各色光を、単板の映像表示素子上に走査する構成となっている。特許文献3は分離した3色を1個の回転多面体で同時に走査する方式であり、特許文献1は分離した3色を各色光に対応したそれぞれの光路上に配置された計3個の回転多面体で個々に走査する方式である。
【0006】
【特許文献1】特開2004−170549号公報
【特許文献2】特開2003−149738号公報
【特許文献3】特開2003−255250号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
回転多面体を用いた投射型画像表示装置の小型化、コストダウンを考慮すると、複数の回転多面体を用いるより、一つの回転多面体で構成するのが好ましい。この意味では、例えば特許文献3の技術は好適に用いることができる。しかし、特許文献3では、色分離手段から回転多面体までの光路と、回転多面体からライトバルブまでの光路が独立しており、小型化を図る上で更なる工夫が必要である。
【0008】
また、これら投射型画像表示装置においては、分離した色別の周辺光量比を考慮していない。
【0009】
本発明は、周辺光量比を考慮した投写型映像表示装置または色分離ユニットを提供することを目的とする。または、小型化を考慮した投射型映像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】
【0010】
本発明の投射型映像表示装置または色分離ユニットは、白色光源から入射した白色光を複数の色光に分離する色分離ユニットにおいて、映像表示素子に分離した色光を走査させる走査手段の走査方向に分離した色光を出射する出射面を配置し、少なくとも一色の色光に関し、出射面の中心から両側から出射する。
【0011】
もしくは、本発明の投射型映像表示装置の色分離ユニットは、白色光源から入射した白色光から分離した少なくとも一色の色光に関し、走査手段に色光を写像する写像光学系の光学軸を中心にして両側から出射する。
【0012】
もしくは、本発明の色分離ユニットは、入射光を分離する色の数よりも多いカラーバーを出射面から出射する。または、少なくとも一色については複数のカラーバーとして出射する色分離ユニットである。
【0013】
もしくは、本発明の投射型液晶表示装置又は色分離ユニットは、入射光から複数色の色光に分離し、分離した各々の色光を出力する出射面を、両端を同じ色光が分離する出射面を配置して第1の方向に並べて有する。
【発明の効果】
【0014】
映像表示装置または色分離ユニットにおいて周辺光量比を改善することが可能である。または、映像表示装置の小型化を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下、図面を用いて本発明の形態について説明する。まず、図1から図11を用いて、本発明の一形態について説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度述べたものについては、その重複する説明を省略する。
【0016】
図1は、第一の実施の形態である走査式投射型映像表示装置の構成図である。以下の説明では、説明を容易にするために、各部において、光学軸方向をZ軸方向とし、光学軸に直交する平面をXY平面とし、図1紙面に垂直な方向をY軸方向(例えば紙面裏から紙面表に向かう方向)と定めるものとする。また、光学軸そのものは、Z軸と一致させる((x,y,z)=(0,0,±Z))。このように、便宜上光学系の光路が直線的に表示されているものとして説明する。
【0017】
図1の走査式投射型映像表示装置は、光学ユニット1、色分離ユニット2a、第1PBS51、回転多面体4、第2PBS52、映像表示素子6、投射レンズ7、その他各種レンズ、偏光板、ミラー等を有する。
【0018】
光源ユニット1は、白色光を出射し、ハロゲン化ランプ等の光源11とリフレクタ12(この図では楕円リフレクタを採用)を有する。リフレクタ12が楕円の場合、光源11は楕円の第1焦点位置近傍に配置される。リフレクタ12は、光源11から出射される略白色の光束を、第2焦点位置近傍に配置されている色分離ユニット2aの入射面に集光し、入射する。
【0019】
図1の色分離ユニット2aは、偏光変換素子21、ライトパイプ24、カラープリズム25aを有する。偏光変換素子21は、リフレクタが集光した光源ユニット1からの光束の偏光方向を所定偏光方向に揃える。偏光変換素子21は偏光分離プリズム211と1/2波長板212から実現される。ライトパイプ24は、出射側方向に断面積が次第に大きくなるインテグレータ素子を用いている。なお、図2に示す直方体を用いてよい。カラープリズム25aは、ライトパイプ24からの光をY軸方向(図1紙面に垂直な方向)に配列された短冊形状(帯状)の異なる色光(例えばR光,G光,B光の3色)に分離する色分離素子の一例である。以下、短冊形状(帯状)の色光を「カラーバー」と称する。なお、カラープリズム25aの詳細については、図2を用いて後述する。
【0020】
色分離ユニット2aに入射した光束は、最初に、偏光変換素子21で所定の偏光方向(ここではS偏光とする)に揃えられる。すなわち、偏光分離プリズム211で自然光がP偏光とS偏光に分離され、一方の偏光、図1ではP偏光の出射面に配置された1/2波長板212により、偏光状態がS偏光に揃えられる。次に、S偏光に揃えられた光束は、ライトパイプ24で内面反射を繰り返すことで、光量分布の一様化が図られる。最後に、偏光状態が揃えられ、光量分布の一様化が図られた白色光は、カラープリズム25aによりY軸方向に配列された3色の色光(例えばR、G、B光)のカラーバーに分離され出射する。カラーバーのうち、少なくとも1色の色光は複数本となっている。カラープリズム25a自体は、先に説明した特許文献3に記載されているものである。
【0021】
カラープリズム25aで分離された3色の色光(偏光状態はS偏光)のカラーバーは、縮小光学系31、光路折り曲げミラー32を介して、第1PBS51に入射する。第1PBS51に入射したS偏光の光束(カラーバー)は、偏光分離面で反射し、回転多面体4に向かう。第1PBS51が出射したS偏光の光束は、1/4波長板82を通過することで、円偏光に変換され、縮小光学系33を介して回転多面体4に入射する。その過程で、カラープリズム25aの出射面に形成された3つの色光のカラーバーは、回転多面体4の手前の空間に縮小光学系31、33によって写像され、空間像(図示せず)が形成される。
【0022】
空間像は、回転中心軸を光学軸(Z軸)方向に直交するX軸方向に持つ回転多面体4の表面の反射面41で反射し、光路を折り返す。1/4波長板82を再び通過することで、円偏光はP偏光に変換され、第1PBS51を透過する。第1PBS51を透過した光束は、1/2波長板83によりS偏光に変換される。そして、第2PBS52に入射したS偏光の光束は、偏光分離面で反射し、映像表示素子6に入射する。この過程により、回転多面体4の手前の空間に形成された空間像から、回転多面体4の反射面41で鏡面像(図示せず)が形成され、さらにこの鏡面像が拡大光学系33(ここでは光線方向が逆となるので拡大光学系として機能する)で拡大されて映像表示素子6上に写像される。
【0023】
映像表示素子6の各画素で反射する光線は、各画素がONの場合は、偏光状態がP偏光に変換されるので、今度は、第2PBS52を透過し投射レンズ7でスクリーン(図示せず)等に拡大投射される。また、各画素がOFFの場合は、偏光状態がS偏光のままなので、再び、第2PBS52の偏光面で反射し、光束はスクリーン等に拡大投射されない。
【0024】
なお、図1において、偏光板81は、色分離ユニット2aでS偏光に揃えられた光束に対して、P偏光の光線を遮光して第1PBSへの入射光の偏光状態の純度を改善するもので、偏光板84は第2PBS52を透過するS偏光を低減してコントラストを改善するものである。
【0025】
ここで、カラープリズムの色分離作用と、色分離後の周辺光量比について、図17乃至図26を用いて説明する。
【0026】
図17を用いて、色分離素子のカラープリズムの色分離作用を説明する。本出願人は、色分離素子から回転多面体までの光路と、回転多面体からライトバルブまでの光路を光路分岐手段(例えばPBS)で切替え、互いの光路が一部共通とする単板式の小型走査式投射型映像表示装置を特願2004−332043号として提案済みである。図17では、特願2004−332043号で本出願人が開示している色分離素子2dを用いて説明を行う。なお図17では、色分離ユニット2dを構成する偏光分離プリズムと1/2波長板を有する偏光変換素子の図示を省略している。
【0027】
図17において、第1カラープリズム251dのダイクロイック面は、ライトパイプ24で光量分布の一様化が行われた白色光のうち、特定の波長域内の第1の色光を透過させ、他の波長域の光束(第2の色光と第3の色光)を反射することで、第1の色光を分離する。次に、第2カラープリズム252dのダイクロイック面は、第2の波長域の色光を反射し、他の波長域の光束(第3の色光)を透過することで、第2の色光を分離する。第3カラープリズム253dのダイクロイック面は、第3の波長域の光を反射し、第3の色光として分離される。なお、第1の色光と、第2の色光と、第3の色光の間の波長域で不要な光束を別の手段でカットすることにより、第3カラープリズム253dのダイクロイック面は全反射ミラーに置換することもできる。以上述べたカラープリズム25dの色分離作用により、Y軸方向に配列された3つの色光のカラーバーがカラープリズム25dの出射面S25dから出射する。
【0028】
次に、上記したカラープリズム25dの出射面に形成される3つの色光のカラーバー(物体)の空間像と、図1における回転多面体4の反射面41による鏡面像と、映像表示素子6上の写像との関係について、図18を参照して説明する。図18は、回転多面体4の反射面41の近傍に写像した空間像と、走査空間像(鏡面像)の関係を模式的に示した図である。なお、回転多面体4の走査作用については、同図を用いて後述する。
【0029】
図18において、カラープリズム25dの出射面に形成されたカラーバーの像(縮小像、図示せず)は、第1の光学系としての縮小光学系31、33、光路折り曲げミラー32、さらに第1PBS51を経由して、回転多面体4の手前の空間に空間像280として形成される。回転多面体4の反射面41により空間像280の鏡面像290が反射面41の裏側に形成されるが、回転多面体4が回転することで反射面41も回転し入射角度が変化するので、鏡面像290は移動(走査)して走査空間像となる。さらに、第2の光学系としての拡大光学系33(縮小光学系の一部を兼用)と第2PBS52により、走査空間像の拡大像が映像表示素子6上に形成される。最後に、映像表示素子6で変調作用を受けたカラー映像は投射装置としての投射レンズ7により、スクリーン等の投射面に拡大投射される。
【0030】
上記説明では、第1の光学系として縮小光学系を、第2の光学系として拡大光学系を用いた例について説明したが、第1の光学系を拡大光学系とし、第2の光学系を縮小光学系とする組合せでも写像関係上は問題ない。ただし、縮小光学系と拡大光学系の組合せとすることで、回転多面体4の反射面41の近傍にできる空間像を小さくできるので、その結果、回転多面体4を小さくすることが可能である。
【0031】
次に、走査作用について説明する。
【0032】
引き続き、図18において、光学軸上の光線に対する走査量の説明である。反射面41を光学軸100に対して垂直に配置した場合は、物体と鏡面像の関係だけに着目すれば良い。図18において、反射面41の手前に形成された空間像は、空間像から反射面41までの距離Aと同じ距離で、反射面41の裏側に鏡面像が形成される。反射面の法線が光学軸100に対してなす角度がθの場合、光学軸上の光線は光学軸に対して角度2θで反射する。このとき反射光線は、図18の点線で示した鏡面像の箇所から出射した光線と等価となる。従って、この反射面41の角度を連続して変えることで、鏡面像からの出射位置を連続して変えることが可能となる。これが、走査作用の原理である。先に説明したθとAを用いて、走査空間像(鏡面像)での位置Yは、数1で定まる。
(数1)
Y=A・tan2θ
次に、図19を用いて光学軸上の光線L401と光学軸外の光線L402での走査作用について説明する。なお、ここでは、回転多面体4が回転12面体であるものとする。
【0033】
図19において、光学軸100上に回転12面体の相隣接する面の稜線が位置する場合の回転12面体401を点線で示す。また、反射面41が光学軸100に垂直となる位置、すなわち反射面41の法線が光学軸100となす角度が0度の場合の回転12面体402を実線で示す。
【0034】
光学軸100上の光線L401に対して反射面41の法線がなす角度が最大となるのは、光線L401が回転12面体401の相隣接する面の稜線近傍に入射する場合、すなわち点線で示した回転12面体401の反射面41に反射する場合である。実線で示した反射面41の位置を基準(回転角度0度)とすると、点線で示した回転12面体401の反射面41の法線と光学軸がなす角度、または回転12面体401の回転角度は±15度={(360÷12)/2}となり、従って、最大反射角度は2倍で±30度(走査範囲:−30度〜30度)となる。
【0035】
ところで、図19に示す光学軸外の光線L402は、光線はY軸方向に関して高さHで回転12面体に入射するので、光線L401と同じ±30度の最大反射角度では、光線L401と同じ範囲を走査できない。仮に、光学軸外の光線L402に対しては、図19に示すように、回転12面体402の光学軸上に位置する反射面の隣接した反射面(反射ミラー)側で光線が反射するものとすると、回転角度が30度(隣接した反射ミラーなので)となる。最大反射角度は2倍で60度となり、また、回転12面体402の光学軸上にある反射面側で反射した場合には回転角度が0度なので、反射角度は0度となる。従って走査範囲が0度〜60度となり、光線L401と同じ範囲の走査が可能となる。
【0036】
次に、図20から図26を用いて、出願人が新たに気付いた上記走査方式での課題について説明する。
【0037】
図20と図21は、光学軸外の光線での走査位置と反射角度の関係を模式的に示した図である。図20では入射光線L403と同じ側(光学軸100に対して)の走査空間像部2901を走査しており、図示の如く反射面の回転角度及び反射角度が小さくなる。一方で、図21では入射光線L403と反対側(光学軸100に対して)の走査空間像部2902を走査しており、図示の如く反射面の回転角度及び反射角度が大きくなる。即ち、Y軸方向に関して光学軸からはずれる光線の走査においては、走査範囲の一方での反射角度が小さく、逆の走査箇所では反射角度が大きいという非対称な関係にある。
【0038】
図22に、3つの色光に色分離されたカラーバーの空間像の各色光の中心位置(Y軸方向の座標:1.285mm、0mm、−1.285mm)から出射した光線が、回転多面体4の回転角度に対して走査空間像(鏡面像)形成する範囲を示す。なお、図22で、縦軸は走査範囲(単位:%)を示しており、±50%の範囲が、元の空間像の大きさに相当する。つまり、走査範囲は元の空間像の大きさで規格化されている。この規格化されたY座標を以下小文字のyで表すものとする。また、横軸は反射面の回転角度(単位:度)を示し、反射面が光学軸に対して垂直である場合に反射面の回転角度を0度としている。
【0039】
図22において、0mmの光線(光学軸上の光線)に対しては、回転角度に対する走査範囲が対称になっているが、それ以外の光線(±1.285mm)の光線に対しては、走査範囲に対して回転角度が、それぞれ片寄った値になっている。すなわち、+Y軸領域の光線においては−の回転角度よりとなり、−Y軸領域の光線においては、+の回転角度よりとなっている。
【0040】
上記の「走査作用の説明」において記述したように、走査範囲は数式1で求めることができる。ところで、回転多面体4は通常、一定の角速度で回転するので、Yをθで微分することで光量比を求めることができる。即ち、同じΔθに対して、ΔYが大きい場合は、速い速度で走査されるので、単位時間あたりの光量が小さく、逆に、ΔYが小さい場合は、単位時間あたりの光量が大きくなる。
【0041】
数式2は、数式1のYをθで微分すると得られる。上述したように逆数を取ることで光量となるが、θ=0のときの値で割って規格化すると数式3となる。
(数2)
ΔY/Δθ=2A/cos22θ
(数3)
光束量比=cos22θ
図23(1)は数式3をプロットした図であり、横軸は規格化された走査空間像位置座標y、縦軸は光量比である。また、図23(2)は実際に照明計算をした結果で、縦軸は映像表示素子上での相対光強度、横軸は映像表示素子上でのY軸座標である。図19から明らかなように、回転角度が大きいと、所定の走査範囲を走査していても周辺光量比が減少してしまう。
【0042】
そこで、図17のカラープリズム25dからの第1の色光、第2の色光、第3の色光の出射光についての照明計算の結果を図24、図25、図26に示す。これらの結果から、カラープリズム25dが映像表示素子6上にどのような光量分布を形成するかがわかる。
【0043】
図24は、第1の色光による映像表示素子6上での光量分布を表した図である。図24(1)は映像表示素子6上でのカラーバーの位置を示す図である。図24(2)は、映像表示素子6上での光量分布を等高線表示した図である。図24(3)は映像表示素子6上での光量分布を映像表示素子6のX軸(Y=0m)と映像表示素子6の上下端(Y=±5mm)を含む平面で切断した断面図である。図24(4)は映像表示素子6上での光量分布を映像表示素子6のY軸(X=0mm)と映像表示素子6の左右端(X=±8.9mm)を含む平面で切断した断面図である。なお、以下図25、26等においても、(2)〜(4)は各々(1)図に示すプリズムの位置での計算結果およびそれらの断面図を示したものである。
【0044】
図24(1)において、符号3−1は3分割されたカラーバーの1番目を意味する。第1のカラーバー3−1は光学軸100に対してY軸の+(プラス)側(以下、「Y+側」と記す)にある。なお、光学軸に対してY軸の逆側を「Y−側」と記す。図24(3)においても同様に、光学軸中心(X−Y座標の原点に対してX座標の+側を「X+側」、X座標の−側を「X−側」と記す。図1の投射型映像表示装置では、一旦、第1の光学系としての縮小光学系で像が反転し、さらに、第2の光学系としての拡大光学系により像が再び反転する。従って、図24(4)において、Y+側にあるプリズムによって分離された第1の色光については、第1の色光のカラーバー3−1があるY+側で回転角度θが小さく、光量分布もY+側が大きくなる。逆に、回転角度θが大きくなるY−側では、光量分布が小さくなる。
【0045】
図25は、第2の色光による映像表示素子6上の光量分布を表した図である。同図において、符号3−2は3分割したカラーバーの2番目を意味する。第2の色光の場合は、カラーバーの中央付近に光学軸があるので、光量分布もY+側とY−側で対称になっている。
【0046】
最後に、図26は、第3の色光による映像表示素子6上の光量分布を表した図である。同図において、符号3−3は3分割したカラーバーの3番目を意味する。第3の色光の場合は、カラーバーが光学軸100に対し、ちょうど第1の色光の対称となる位置にあるので、光量分布も第1の色光と逆に、Y+側が小さく、Y−側が大きくなる。
【0047】
このように、回転多面体による走査方式においてカラーバーを3分割した場合には、所定の範囲を走査していても、回転角度が大きいと、Y軸に関して+領域と−領域で光量の減少に違いが生じてしまい、光量比に劣化が生じる。この現象は、回転多面体による反射光を入射光側に反射させる上記した走査式投射型映像表示装置に限定されるものではなく、特許文献1や特許文献3のように、入射光と反射光の光路が異なる走査式投射型映像表示装置においても生じてしまう。
【0048】
図2は、このような周辺光量比の劣化パターンの特徴に着目し、分割数を3分割から6分割に増加した色分離ユニット2aの一例である。
【0049】
色分離ユニット2aにおける色光の配置方法等の詳細については後述するが、まず、分割したカラーバーの各々の領域における照明結果を図3乃至図8に示す。この照明結果から第1の領域から第6の領域の出射光が、映像表示素子6上にどのような光量分布を形成するかがわかる。第1の領域から第6の領域と記述したのは、第1の領域から第6の領域の中に同じ波長域の色光があるので、混乱を避けるために、色光ではなく領域として記述している。また、図3から図8において、符号6−iは映像表示素子6上での6分割されたカラーバーの第iの領域を示す。但し、iは1乃至6のいずれかの整数である。
【0050】
図3乃至図8においても、カラーバーの3分割の結果と同様に、Y+側に配置した第1の色光から第3の色光では周辺光量比はY+側が大きく、逆に、Y−側に配置した第4の色光から第6の色光では周辺光量比はY−側が大きくなる。特に、Y+の端の領域にあたる第1の色光と、Y−の端の領域に当たる第6の色光においてその傾向は顕著である。
【0051】
各々の領域での特徴を踏まえ、分割したカラーバーに対する色光の配置を行ったものが、図2の色分離ユニット2aである。図2は、本実施の形態による色分離ユニットのYZ断面図である。図2は、本実施の形態による色分離ユニット2aのYZ断面図である。なお、図2において、偏光変換素子21の図示を省略している。
【0052】
図2において、ライトパイプ24に入射した光束は光量の一様化作用を受けた後で、カラープリズム25aに入射する。カラープリズム25aは、Y軸方向に略45度傾斜した複数の色分離膜251a,252a,253aが所定間隔でY軸方向に6層に積層されたプリズムであり、光学軸100に対して前記色分離膜251a、252a、253aが対称(詳細に述べるならば光学軸100を含むXZ平面に対して対称)に配置されている。光学軸100は、図1における第一の写像光学系の光学軸である。または、Y軸方向(すなわち、図1の多面反射体による走査方向)に配置された色分離膜251a,252a,253a等が、その配置の中心を挟んで、Y軸方向の両側に配置されている。このように、図2紙面で光学軸100に対して、Y+側では光学軸側から順に偏光分離膜253a、252a、251aと配置されており、Y−側では光学軸側から順に偏光分離膜253a、252a、251aと配置されている。そして、Y+側とY−側では色分離膜のY軸方向に対する傾斜が90度異なっている。つまり、色分離膜はY+側では光学軸(Z軸)に対して略45度、Y−側では略−45度傾斜している。
【0053】
第3の色分離膜253aは第3の色光(第3の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射する色分離膜である。第2の色分離膜252aは第2の色光(第2の波長域)の色光を反射しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を透過する色分離膜である。第1の色分離膜251aは、第1の色光(第1の波長域)の色光を反射しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を透過する色分離膜である。
【0054】
カラープリズム25aが上記のように構成されているので、ライトパイプ24からカラープリズム25aに入射した白色の光束のうち、第3の色分離膜253aにより、第3の色光が透過して出射し、それ以外の色光は、それぞれY+側(以下、単に「上」と記す)あるいはY−側(以下、単に「下」と記す)に反射される。上(下)に反射された光束は、第2の色分離膜252aにより、第2の色光の色光のみが反射して出射し、それ以外の色光は透過する。第2の色分離膜252aを透過した色光のうち、第1の色分離膜251aにより、第1の色光は反射して出射し、それ以外の色光は透過する。なお、第1の色分離膜251aを反射ミラーで構成し、第2の色分離膜252aを透過した残光を反射する構成としてもよい。
【0055】
このように、図2の光分離ユニット2aでは、6分割した第1番目と第6番目に第1の色光を配置し、第2番目と第5番目に第2の色光を配置し、そして、第3番目と第4番目に第3の色光を配置している。または、光学軸100を通る第3の色光を出射する出射面を中心に、両側(±Y軸方向)に第2の色光を出射する出射面、第1の色光を出射する出射面を配置している。このような配置により、光学軸100に対して対称に第3の色光と、第2の色光と、第1の色光とを分離して色分離ユニット2aから出射することができる。
【0056】
図2の色分離ユニット2aを用いた投射型映像表示装置での映像表示素子6での光量分布について図9から図11を用いて説明する。
【0057】
図9は、第1番目と第6番目に配置した二つのカラーバーによる光量分布である。カラーバーとして、Y+側とY−側にそれぞれカラーバー6−1,6−6を配置することで、Y軸方向の光量分布が対称となり、図24の場合に比べ、光量分布における周辺光量比を改善することができる。
【0058】
図10は、第2番目と第5番目に配置した二つのカラーバーによる光量分布である。カラーバー6−2,6−5をY+側とY−側にそれぞれ配置することで、光量分布における周辺光量比の改善が可能である。同様に、図24の光量分布と比べればその改善効果は顕著であることが分かる。
【0059】
最後に図11は、上から第3番目と第4番目に配置したカラーバーによる光量分布である。6分割の第3番目と第4番目は、3分割での第2番目即ち、図25と等価になる。図25は3分割で唯一、Y+側とY−側にカラーバーを配置できていた色光の光量分布であり、図17の光分離ユニット2dにおいては、周辺光量比が一番良かったものである。即ち、3分割した光分離ユニット2dにおいて一番良かった領域の周辺光量比が、本実施の形態では一番悪い周辺光量比になったわけである。
【0060】
カラーバーの1周期当たりの色の順番は、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第2の色光、第1の色光であり、その繰り返しとなる。従って、映像表示素子6を駆動する制御回路では、5回の色の制御をする必要があるように思えるが、最初の第1の色光と最後の第1の色光は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子6を駆動する制御回路では、4回の色の制御を行えば良いという効果が得られる。その構成を図27に示す。
【0061】
図27は、図17の光分離ユニット2dにおける映像表示素子6を駆動する際の色制御の切替えクロックのタイムチャートを示す。同様に図28は、図2の光分離ユニット2aにおけるタイムチャートを示す。
【0062】
図27(1)は、映像表示素子6上の3分割された領域の1つに対する横軸に制御回路の駆動時間を、縦軸に色別の駆動信号の出力を示す。映像表示素子6の垂直走査を行うために必要な時間を回路制御の1周期とする。図17の光分離素子を扱う場合、カラーバーが1周する周期(スクロール1周期分)と回路制御の1周期を同じタイミングで実行させている。映像表示素子一画面において、スクロールを3回実行する。図27(2)は、画面上の色光の変化を示す。例えば、図27(2)の上部領域に着目すると、回路制御1周期分でR⇒B⇒Gの順番で3回の切替えが行われ、1画面全体に対して3色全ての信号で駆動されることになる。
【0063】
図28(1)は、図2の光分離ユニット2aを用いた場合の映像表示素子6の駆動を示す図である。光分離分離ユニット2aは出力面が6分割された領域から、例えばY軸上からG⇒B⇒R⇒R⇒B⇒Gの配置の色光が出力される。カラーバー1周期において、例えば映像表示素子6の一番上の領域では、図28(2)に示すように、G⇒B⇒R⇒B⇒Gの順で4回の切替えが行われる。しかしながら本実施の形態では、図27(1)と異なり、カラーバー1周期と、回路制御1周期をずらして行う構成である。
【0064】
例えば図2の色分離ユニット2aの場合、ユニットの両端が同じ第1の色光である。映像表示素子6として例えば液晶素子を用いた場合、色光の駆動を切替えた場合、制御応答に所定時間が必要となる。即ち、一端の第1のカラーバーで駆動を一旦OFFにすると、もう一方の端で駆動をONにするまでの時間、液晶での十分な反射性能が得られない。従って、色の切替え制御が少ないほど処理速度を向上させることができる。このような液晶素子の特徴を踏まえ、図2のように両端が同色のカラーバーの配置し、両端のカラーバーに対して1つの駆動サイクルに含まれるように、回路制御の周期をカラーバーの周期に対してずらしている。このような構成によって、回路制御1周期における色切替えの回数を少なし、全体としての制御時間の増加をある程度抑制しつつ、周辺光量比を改善するというトレードオフを実現している。
【0065】
次に、第2の実施の形態について、図12を用いて説明する。図12は図1に適用する色分離ユニット2aに代えて、色分離ユニット2bを用いたものである。従って、写像関係、偏光作用、走査作用は本実施の形態においても、図2に同じであり、その重複する詳細な説明を省略し、以下では、本形態の特徴である色分離ユニットでの色分離作用について、説明する。
【0066】
図12において、色分離ユニット2bは、偏光変換素子21(図示省略)と、ライトパイプ24と、ライトパイプ24の入射側端面に設けられ、光学的な穴の開いた入射開口231、および入射開口231以外の領域に対応して設けられた全反射ミラー232を有する入射開口板23と、ライトパイプ24の出射側端面に設けられ、ライトパイプ24からの光をY軸方向に配列された6つの短冊形状(帯状)の異なる色光のカラーバーに分離する色分離素子であるダイクロイックミラー26bを有する。
【0067】
ダイクロイックミラー26bは、光学軸(Z軸)100に対して対称に、かつ光学軸側から順に配置された第3のダイクロイックミラー263bと、第2のダイクロイックミラー262bと、第1のダイクロイックミラー261bとで構成される。
【0068】
第3のダイクロイックミラー263bは、第3の色光(第3の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射させ、第2のダイクロイックミラー262bは、第2の色光(第2の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射させ、第1のダイクロイックミラー261bは、第1の色光(第1の波長域)のみを透過しそれ以外の色光(それ以外の波長域)を反射させるダイクロイックミラーである。
【0069】
ライトパイプ24の入射側端面に配置された入射開口板23の全反射ミラー232は、ダイクロイックミラー26bで反射された光束を再びライトパイプ24の出射側に反射するものである。
【0070】
次に、色分離ユニット2bの機能について説明する。偏光変換素子21(図12での図示省略)で所定偏光方向に揃えられた後、入射開口板23の入射開口231を介してライトパイプ24に入射した光束は光量の一様化作用を受けた後で、ダイクロイックミラー26bに入射する。ダイクロイックミラー26bを構成する第1のダイクロイックミラー261bでは、入射した白色光束のうち第1の色光のみを透過して出射し、それ以外の色光を反射する。また、第2のダイクロイックミラー262bでは、入射した白色光束のうち第2の色光のみを透過して出射し、それ以外の色光を反射する。同様に、第3のダイクロイックミラー263bでは、入射した白色光束のうち第3の色光のみを透過して出射し、それ以外の色光を反射する。
【0071】
ところで、本実施の形態においては、ライトパイプ24の入射側端面には、光学的な入射開口231と全反射面232を有する入射開口板23を配置している。従って、上記ダイクロイックミラー261bからダイクロイックミラー263bで反射され、ライトパイプ24の入射側端面に戻った光束の大部分(面積比分)は、再び全反射ミラー232で反射される。以下、この繰り返しとなり、ライトパイプ24に入射した大部分の光束が色分離ユニット2bから出射することになる。このように、色分離ユニット2bは、ダイクロイックミラー26bで反射された光をリサイクルすることで光利用効率を向上させることができる。
【0072】
第1の色光から第3の色光の出射位置は、色分離ユニット2aと同様に、光学軸100に対して対称となるように配置している。従って、色分離ユニット2bを用いた投射型映像表示装置における映像表示素子6での光量分布は、色分離ユニット2aを用いた投射型映像表示装置での光量分布と同様の結果となる。また、色分離ユニット2aの場合と同様に、3分割で一番良かった周辺光量比が、図17の例での一番悪い周辺光量比にとなる。
【0073】
また、映像表示素子6を駆動する制御回路では、5回の色の制御をする必要があるように思えるが、最初の第1の色光と最後の第1の色光は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子6を駆動する制御回路では、4回の色の制御を行えば良い。
【0074】
次に、図13を用いて、色分離ユニットの他の実施の形態について説明する。
【0075】
図13の色分離ユニット2cは、図12の実施の形態と基本的な構成は同じである。但し色分離ユニット2cは、6分割の第1番目と第6番目に第1の色光を配置し、第2番目と第3番目に第2の色光を配置し、そして、第4番目と第5番目に第3の色光を配置している。
【0076】
色分離ユニット2cを用いた投射型映像表示装置での映像表示素子6での光量分布について図14から図16を用いて説明する。
【0077】
図14は、第1番目と第6番目に配置したカラーバー6−1,6−6による光量分布である。カラーバーをY+側とY−側にそれぞれ配置することで、光量分布における周辺光量比を改善することができる。図20の光量分布と比べればその改善効果は顕著であることが分かる。
【0078】
また、図15は、第2番目と第3番目に配置したカラーバーによる光量分布である。カラーバー6−2,6−3をY+側のみに配置しているので大きな改善効果はないが、図24の光量分布と比べれば改善効果は得られている。これは、図20での回転角度に比べて、図10の回転角度を小さくできた効果である。
【0079】
最後に、図16は、第4番目と第5番目に配置したカラーバーによる光量分布である。カラーバー6−4,6−5をY−側のみに配置しているので大きな改善効果はないが、図24の光量分布と比べれば改善効果は得られている。図15と同様に、図24での回転角度に比べて、図16の回転角度を小さくできた効果である。
【0080】
また、カラーバーの1周期当たりの色の順番は、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第1の色光であり、その繰り返しとなる。従って、映像表示素子6を駆動する制御回路では、4回の色の制御をする必要があるように思えるが、最初の第1の色光と最後の第1の色光は、走査上はちょうど隣り合った配置関係となるので、映像表示素子6を駆動する制御回路では、3回の色の制御を行えば良い。即ち、図17の3分割の場合と同じ色の制御で良いという効果がある。
【0081】
次に、上記図2の光分離ユニット2aの他の色光配置例を説明する。図29〜図31、また図32、33の配置例では、各々色光の配置を光学軸対称とならない配置としている。前者にでは、光学軸を挟んで±Y軸方向に各々3種類の色光を配置している点では図2の例と同様であるが、配置順がY軸上から順に、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第1の色光、第2の色光、第3の色光としている。図29は、第1の色光についてのラスタ性能図であり、図30は、第2の色光のラスタ性能図、図31は、第3の色光のラスタ性能図である。
【0082】
図32、33は、色配置をY軸上から順に、第1の色光、第2の色光、第3の色光、第3の色光、第1の色光、第2の色光とした場合の、ラスタ性能図であり、具体的には図32は第1の色光のラスタ性能図、図33は第2の色光のラスタ性能図である。なお、第3のラスタ性能図については、図11と同様のため省略する。
【0083】
図24乃至26と比較すると、両者の色配置とも、周辺光量比が向上していることがわかる。特に後者の色配置においては、図2の色配置に近い改善を図ることが可能である。これは、色配置が、図29乃至31の配置と比較すると、光学軸に対し略対称の配置となっているからである。このように光学軸に対しY軸方向に関して対称に近い色配置にするほど、回転角度を小さくすることができ、さらには周辺光量比を改善することが可能となる。
【0084】
以上のように各実施の形態について説明したが、本発明は下記の観点から捉えることも可能である。
白色光源と、該白色光源の出射光から映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、該白色光源から放射される可視光束を複数の色光に分離する色分離ユニットと、該色分離ユニットの出射面から出射された各複数色の光を該映像表示素子上で移動(走査)させる走査手段と、該色分離ユニットにより分離したカラーバーを該走査手段の近傍に写像する第1の写像光学系と、該走査手段により走査されたカラーバーを該映像表示素子に写像する第2の写像光学系と、該映像表示素子から出射された光をカラー映像として投射する投射装置を備えた投射型映像表示装置において、該色分離ユニットは、該色分離ユニットの出射面から出射する複数の色光、または複数の色光の少なくとも一部、あるいは、複数の色光の一つを、該第1の写像光学系の光学軸を挟んでそれぞれ両側に配置したことを特徴とする投射型映像表示装置。
【図面の簡単な説明】
【0085】
【図1】投射型映像表示装置の構成図の一例である。
【図2】色分離ユニットの第1の構成例である。
【図3】6分割カラーバーの第1領域のラスタ性能図である。
【図4】6分割カラーバーの第2領域のラスタ性能図である。
【図5】6分割カラーバーの第3領域のラスタ性能図である。
【図6】6分割カラーバーの第4領域のラスタ性能図である。
【図7】6分割カラーバーの第5領域のラスタ性能図である。
【図8】6分割カラーバーの第6領域のラスタ性能図である。
【図9】図2の色分離ユニットでの第1の色光のラスタ性能図である。
【図10】図2の色分離ユニットでの第2の色光のラスタ性能図である。
【図11】図2の色分離ユニットでの第3の色光のラスタ性能図である。
【図12】色分離ユニットの第2の構成例である。
【図13】色分離ユニットの第3の構成例である。
【図14】図13の色分離ユニットでの第1の色光のラスタ性能図である。
【図15】図13の色分離ユニットでの第2の色光のラスタ性能図である。
【図16】図13の色分離ユニットでの第3の色光のラスタ性能図である。
【図17】3分割の色分離ユニットの説明図である。
【図18】走査方式の原理の説明図である。
【図19】回転多面体での走査の説明図である。
【図20】空間像と反射角度の第1の説明図である。
【図21】空間像と反射角度の第2の説明図である。
【図22】回転角度と走査量の関係を説明する図である。
【図23】走査方式におけるtangent作用を説明する図である。
【図24】図17の3分割色分離ユニットでの第1の色光のラスタ性能図である。
【図25】図17の3分割色分離ユニットでの第2の色光のラスタ性能図である。
【図26】図17の3分割色分離ユニットでの第3の色光のラスタ性能図である。
【図27】図17の色分離ユニットを採用する場合の液晶表示素子の制御回路の制御内容を示す図である。
【図28】図2の色分離ユニットを採用する場合の液晶表示素子の制御回路の制御内容を示す図である。
【図29】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第二の例でのラスタ性能図を示す。
【図30】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第二の例でのラスタ性能図を示す。
【図31】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第二の例でのラスタ性能図を示す。
【図32】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第三の例でのラスタ性能図を示す。
【図33】図2の色分離ユニットでの色光配置に関する第三の例でのラスタ性能図を示す。
【符号の説明】
【0086】
1…光源ユニット、11…光源、12…リフレクタ、2a,2b,2c,2d…色分離ユニット、21…偏光変換素子、211…偏光分離プリズム、212…1/2波長板、23…入射開口板、231…入射開口、232…全反射ミラー、24…ライトパイプ、25…カラープリズム、26…ダイクロイックミラー、31、33…縮小光学系、32…光路折り曲げミラー、33…拡大光学系(光路共通化による兼用)、4…回転多面体、51…第1PBS、52…第2PBS、6…映像表示素子、7…投射レンズ、81…偏光板、82…1/4波長板、83…1/2波長板、84…偏光板、100…光学軸、280…空間像、290…鏡面像(走査空間像)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
白色光源と、
前記白色光源が出射した白色光を入射し、複数の色光として第一の方向に並べて出射する出射面を有する色分離ユニットであって、前記複数の色光の少なくとも一色の色光について前記第一の方向に対し前記出射面の中心を挟んで両側から出射する色分離ユニットと、
前記出射面から出射された前記複数の色光の各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段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】
白色光源と、
前記白色光源が出射する白色光を分離し複数色のカラーバーとして出射する分離ユニットと、
前記複数色のカラーバーを写像する写像光学系と、
前記写像光学系により写像された複数色のカラーバーを走査する走査手段と、
走査された複数色のカラーバーから映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、
前記映像表示素子が形成した光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
前記色分離ユニットは、出射する複数色のカラーバーのうち少なくとも1色について、前記写像光学系の光学軸を挟んだ両側から出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項3】
映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
白色光源と、
前記白色光源が出射した白色光を入射する色分離ユニットであって、出射するカラーバーの色の数よりも多く、複数色のカラーバーの各々を出射する複数の出射面を有し、前記複数の出射面を第一の方向に並べて配置した色分離ユニットと、
前記出射面から出射された前記複数色のカラーバーの各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項4】
請求項1から請求項3のいずれか一に記載の投射型映像表示装置であって、
前記色分離ユニットは、
ライトパイプと、
ダイクロイック作用を有するカラープリズムまたはダイクロイックミラーを備えることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれか一に記載の投射型映像表示装置であって、
前記走査手段は、表面に反射面を有する回転多面体であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項6】
請求項2記載の投射型映像表示装置であって、
前記色分離ユニットは、前記少なくとも1色について、前記光学軸に対し対称に両側からカラーバーを出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項7】
映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
白色光を出射する光源と、
前記白色光を入射し複数色の色光に分離する色分離ユニットであって、分離した色光を出力する複数の出射面を有し、両端を同じ色光が分離する出射面を配置して前記複数の出射面を第1の方向に並べて有する色分離ユニットと、
前記複数の出射面から出射された色光の各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項8】
入射光を複数の色光として第一の方向に並べて出射する出射面を有し、
前記複数の色光の少なくとも一色の色光について前記第一の方向に対し前記出射面の中心を挟んで両側から出射することを特徴とする色分離ユニット。
【請求項1】
映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
白色光源と、
前記白色光源が出射した白色光を入射し、複数の色光として第一の方向に並べて出射する出射面を有する色分離ユニットであって、前記複数の色光の少なくとも一色の色光について前記第一の方向に対し前記出射面の中心を挟んで両側から出射する色分離ユニットと、
前記出射面から出射された前記複数の色光の各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段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】
白色光源と、
前記白色光源が出射する白色光を分離し複数色のカラーバーとして出射する分離ユニットと、
前記複数色のカラーバーを写像する写像光学系と、
前記写像光学系により写像された複数色のカラーバーを走査する走査手段と、
走査された複数色のカラーバーから映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、
前記映像表示素子が形成した光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
前記色分離ユニットは、出射する複数色のカラーバーのうち少なくとも1色について、前記写像光学系の光学軸を挟んだ両側から出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項3】
映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
白色光源と、
前記白色光源が出射した白色光を入射する色分離ユニットであって、出射するカラーバーの色の数よりも多く、複数色のカラーバーの各々を出射する複数の出射面を有し、前記複数の出射面を第一の方向に並べて配置した色分離ユニットと、
前記出射面から出射された前記複数色のカラーバーの各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項4】
請求項1から請求項3のいずれか一に記載の投射型映像表示装置であって、
前記色分離ユニットは、
ライトパイプと、
ダイクロイック作用を有するカラープリズムまたはダイクロイックミラーを備えることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項5】
請求項1乃至4のいずれか一に記載の投射型映像表示装置であって、
前記走査手段は、表面に反射面を有する回転多面体であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項6】
請求項2記載の投射型映像表示装置であって、
前記色分離ユニットは、前記少なくとも1色について、前記光学軸に対し対称に両側からカラーバーを出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項7】
映像表示素子と前記映像表示素子が形成する光学像をカラー映像として投射する投射装置を有する投射型映像表示装置であって、
白色光を出射する光源と、
前記白色光を入射し複数色の色光に分離する色分離ユニットであって、分離した色光を出力する複数の出射面を有し、両端を同じ色光が分離する出射面を配置して前記複数の出射面を第1の方向に並べて有する色分離ユニットと、
前記複数の出射面から出射された色光の各々を前記映像表示素子上に前記第一の方向で走査させる走査手段を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項8】
入射光を複数の色光として第一の方向に並べて出射する出射面を有し、
前記複数の色光の少なくとも一色の色光について前記第一の方向に対し前記出射面の中心を挟んで両側から出射することを特徴とする色分離ユニット。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【公開番号】特開2006−317563(P2006−317563A)
【公開日】平成18年11月24日(2006.11.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−137987(P2005−137987)
【出願日】平成17年5月11日(2005.5.11)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年11月24日(2006.11.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年5月11日(2005.5.11)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】
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