表示装置およびプロジェクタ
【課題】4種類の色光を用いて画像を形成することで表示可能な色域を拡大しつつ、装置の小型化と低コスト化を実現し、実用性の高いプロジェクタを提供する。
【解決手段】本発明のプロジェクタ1は、4種類の色光を含む照明光を射出する光源2と、照明光を波長域によって時間的に分離して、第1、第2の色光を含む第1の照明光と第3、第4の色光を含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する回転カラーフィルター3(時間的色光分離手段)と、第1、第2の照明光を空間的に分離して、第1サブフレーム期間に第1、第2の色光を生成し、第2サブフレーム期間に第3、第4の色光を生成する空間的色光分離光学系6と、隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射する第1、第2の色光、もしくは第3、第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な液晶ライトバルブ7(空間光変調素子)を備えている。
【解決手段】本発明のプロジェクタ1は、4種類の色光を含む照明光を射出する光源2と、照明光を波長域によって時間的に分離して、第1、第2の色光を含む第1の照明光と第3、第4の色光を含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する回転カラーフィルター3(時間的色光分離手段)と、第1、第2の照明光を空間的に分離して、第1サブフレーム期間に第1、第2の色光を生成し、第2サブフレーム期間に第3、第4の色光を生成する空間的色光分離光学系6と、隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射する第1、第2の色光、もしくは第3、第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な液晶ライトバルブ7(空間光変調素子)を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、表示装置およびプロジェクタに関し、特に広範囲の色域を表現可能であって4種類の色光を用いて投写画像を形成するプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【0002】
ディスプレイ機器の高性能化に伴って、実物を忠実かつ自然な色で再現するための技術が求められている。一般的なディスプレイ機器では、赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の3原色の色光を用いてカラー画像を生成する方法が用いられている。ところが、カラーフィルターや蛍光体等の制約もあり、この方法では人間が知覚できる色域の(マンセル色票集換算で)5割程度しかカバーすることができない。したがって、ディスプレイに表示される色は実物とは異なる色合いになる場合があり、ディスプレイ機器の応用分野が自ずと限定されてしまう。そのため、より広範囲な色域をカバーできるディスプレイ機器の開発が望まれている。
【0003】
このような背景の下、変調する色光を従来の3原色よりも増やすことで表示可能な色域を拡大する、いわゆる多原色ディスプレイの開発が活発化してきている(例えば、非特許文献1参照)。これは、小型のライトバルブに形成した画像を拡大投写することで大画面表示を実現するプロジェクタにおいても同様である。
【0004】
また、非特許文献2には、透過型の液晶ライトバルブを4枚用いたプロジェクタが開示されている。このプロジェクタにおいては、単独で変調が可能な黄色光(Y)を従来の3原色光(R,G,B)に加えることで、表示可能な色域が従来比で1.45倍程度に拡大され、従来のプロジェクタでは表現できなかった色合いを表現できるようになっている。
【非特許文献1】山口雅浩、「多原色ディスプレイ」、”カラーフォーラムJAPAN'99論文集”、光学四学会、1999年11月、p.73-79
【非特許文献2】S.Roth, et al. 2005 SID Int. Symp. Tech. Digest of Papers, p.1818-1821(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の非特許文献1,2に開示されたプロジェクタは、3つの液晶ライトバルブで独立に変調された3原色をクロスダイクロイックプリズムで合成する、という現在のプロジェクタで使用されている光学構成を基本とし、そこに従来と同じ液晶ライトバルブを4つ目の光変調手段として付加することで、多原色ディスプレイを実現したものである。
このように、多原色光を用いたプロジェクタは原理的には実現されているものの、液晶ライトバルブの増加に伴って部品点数も増加し、光学系の構成が複雑になってしまう。そのため、プロジェクタ装置の小型化と低コスト化が難しいという課題がある。
【0006】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、4種類の色光を用いて画像を形成することにより従来の装置に比べて表示可能な色域を拡大しつつも、装置の小型化と低コスト化を実現し、実用性の高い表示装置およびプロジェクタ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】
【0007】
上記の目的を達成するために、本発明の第1の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、前記4種類の色光を含む照明光を波長域によって時間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する時間的色光分離手段と、前記第1の照明光、前記第2の照明光のそれぞれに含まれる色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0008】
なお、本発明で言う「サブフレーム期間」とは、1フレーム期間を2分割した期間のことであって、例えば、空間光変調素子を一般的な駆動周波数である60Hzで駆動した場合、1フレーム期間に相当する時間が1/60秒(約16.6ミリ秒)であるのに対し、1サブフレーム期間に相当する時間は1/120秒(約8.3ミリ秒)となる。また、「サブ画素」とは、1画素を構成する最小単位であって、本発明の場合には隣接配置された2つのサブ画素で1画素を構成する。
【0009】
本発明の第1の表示装置は、2種類の色光を独立して変調可能であり、1サブフレーム時間(例えば1/120秒(120Hz))単位での表示が可能な空間光変調素子を一つ用い、この空間光変調素子にサブフレーム毎に組み合わせの異なる2種類ずつの色光を入射させ、各色光を変調することによって、1フレーム単位で4原色光を用いたカラー表示を実現するものである。換言すると、本発明の表示装置は、サブフレーム毎に組み合わせの異なる2種類の色光を変調する時分割型変調と、空間光変調素子上で空間的に分離して得られた異なる2種類の色光を変調する空間分離型変調を併用している点が特徴である。これにより、一般的な表示時間単位であるフレーム時間(1/60秒、60Hz表示)単位で見れば、1つの空間光変調素子を用いて4原色光を用いたカラー表示が可能となる。このように、本発明の第1の表示装置においては、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、空間光変調素子が1つで済むため、装置の小型化と低コスト化を実現することができる。
【0010】
本発明の第2の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、前記4種類の色光を含む照明光を空間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とを生成する空間的色光分離手段と、第1のサブフレーム期間において、前記4種類の色光のうち、前記第1の色光と前記第3の色光とを第1の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを第2の偏光状態に変換し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間において、前記第1の色光と前記第3の色光とを前記第2の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを前記第1の偏光状態に変換し、前記第1の偏光状態、前記第2の偏光状態のいずれか一方の色光を選択的に透過させ、前記第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第3の色光とを生成し、前記第2のサブフレーム期間に前記第2の色光と前記第4の色光とを生成する時間的色光分離手段と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第3の色光、もしくは前記第2の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0011】
本発明の第2の表示装置においても、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現でき、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった本発明の第1の表示装置と同様の効果を得ることができる。また、本発明の第1の表示装置では、時間的色光分離手段が波長域に応じて色光を時間的に分離するのに対し、本発明の第2の表示装置では、時間的色光分離手段が偏光状態に応じて色光を時間的に分離する点が異なっている。したがって、本構成は、例えば液晶ライトバルブのように、空間光変調素子が偏光光により変調を行うものに用いたときに好適である。
【0012】
また、前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光である場合、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射される構成であることが望ましい。
青色光、緑色光、赤色光の中では、緑色光が最も解像度への影響が大きい色光である。よって、1画素を構成する2つのサブ画素のうち、同一のサブ画素に(異なるサブフレーム期間で)第1の緑色光、第2の緑色光を割り当てたのでは解像度向上効果は得にくく、異なるサブ画素に(異なるサブフレーム期間、同一のサブフレーム期間にかかわらず)第1の緑色光、第2の緑色光を割り当てることによって解像度向上効果を十分に得ることができる。
【0013】
さらに上記の構成において、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、時間的に隣接する2つのサブフレーム期間のそれぞれに生成されることが望ましい。
カラー画像を表示する場合、一般的に青色光、緑色光、赤色光の光量比は概ね1:6:3に設定されるように、他の色光に比べて緑色光の光量が最も多い傾向にある(例えば、光源として高圧水銀ランプのような緑色の光量が他の色の光量よりも多い光源を用いた場合には、特にそのような傾向となる)。したがって、同一のサブフレーム期間に第1の緑色光と第2の緑色光を割り当て、別のサブフレーム期間に赤色光と青色光を割り当てると、サブフレーム間での光量の変動が大きくなり、フリッカー(明るさのちらつき)が発生する恐れがあるため、好ましくない。したがって、フリッカー防止の観点から、第1の緑色光と第2の緑色光とを別々のサブフレーム期間に割り当てることが好ましい。
【0014】
本発明の第3の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する光源部と、前記第1の照明光および前記第2の照明光のそれぞれに含まれる2種類の色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0015】
本発明の第1,第2の表示装置は、光源として例えば高圧水銀ランプ等の可視全域にわたって発光スペクトルを有する光源、いわゆる白色光源を想定しているのに対し、本発明の第3の表示装置は、光源として例えば発光ダイオード(Light Emitting Diode, 以下、LEDと略記する)、EL(Electro Luminescence)、レーザ等の発光波長域が可視全域にわたらず、狭い波長域の光(以下、このような光を単色光、単色光を発する光源を単色光源と呼称する)を発する単色光源を想定している。本発明の第3の表示装置においても、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現でき、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった本発明の第1,第2の表示装置と同様の効果を得ることができる。
【0016】
さらに、本発明の第3の表示装置においては、第1の光源、第2の光源の組と、第3の光源、第4の光源の組とを交互に発光させるだけで、第1の色光と第2の色光を含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光を含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成することができる。そのため、本発明の第3の表示装置では、本発明の第1,第2の表示装置で用いた時間的色光分離手段が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。また、波長域が異なる4種の光源を用いているため、サブフレーム期間毎の色光の組み合わせを自在に設定することができる。これにより、途中に介在する空間的色光分離手段を作製が容易な分光特性に設定できるため、空間的色光分離手段の高性能化や低コスト化を実現し易い。また、複数の光源を間欠的に発光させれば良いため、発光輝度を高め易く、明るい表示を実現することができる。
【0017】
本発明の第1〜第3の表示装置において、前記空間的色光分離手段として、少なくとも一方が波長選択反射面である2つの反射面を入射光に対する入射角が異なるように配置した反射素子を含むものを用いることができる。
この構成においては、少なくとも一方の波長選択反射面を4種類の色光のうちの2種類を透過し、残りの2種類を反射させる特性を持つように設計する。こうすることにより、2つの反射面に2種類ずつの色光が入射されることになるが、2つの反射面を互いに入射角が異なるように配置しているため、2種類ずつの色光の反射光の射出角も異なることになる。したがって、2つの反射面の傾きを最適化することによって2種類ずつの色光の反射光の空間光変調素子に対する入射角を制御でき、それぞれの色光を隣接した2つのサブ画素に精度良く入射させることができる。
【0018】
また、前記反射素子の前記波長選択反射面で反射する色光が、前記光源から射出される色光のうちで光強度が最も小さい色光であることが望ましい。
反射素子の波長選択反射面(ダイクロイック面)に所定の波長域を持つ色光を入射させたとき、その反射特性と透過特性は一般的に同等ではなく、透過光よりも反射光の方が光損失が少ない。したがって、いずれの色光を波長選択反射面で反射させても透過させても本発明の構成を実現できるが、光源から射出される色光のうちで光強度が最も小さい色光を波長選択反射面で反射させる構成とする方が、もともと強度が小さい色光の損失が少ないため、他の色光との間で光強度のバランスを取りやすく、結果的に明るい画像が得られる点で好ましい。
【0019】
さらに上記の構成の場合、前記光源と前記空間的色光分離手段との間に、前記光源から射出される非偏光の光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えることが望ましい。
反射素子の波長選択反射面では、一般にP偏光よりもS偏光の方が反射率が高いため、光源から射出される非偏光の光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えることによって、光利用効率を向上させることができる。
【0020】
本発明の第4の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成するとともに、前記第1の色光と前記第2の色光とを空間的に離れた位置に射出可能、かつ、前記第3の色光と前記第4の色光とを空間的に離れた位置に射出可能な光源部と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0021】
本発明の第4の表示装置は、本発明の第3の表示装置と同様、光源としてLED、EL、レーザ等の単色光を発光する単色光源を想定している。本発明の第4の表示装置においても、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現でき、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった本発明の第1〜第3の表示装置と同様の効果を得ることができる。さらに、本発明の第4の表示装置においては、光源部が、第1の色光と第2の色光とを空間的に離れた位置に射出可能、第3の色光と第4の色光とを空間的に離れた位置に射出可能としたことで、これら各色光を隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射させることができる。そのため、本発明の第4の表示装置では、本発明の第3の表示装置で用いた空間的色光分離手段が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。
【0022】
また、前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光である場合、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射されることが望ましい。
本発明の第3,第4の表示装置においても、本発明の第1,第2の表示装置について説明したのと同様、異なる2つのサブ画素に第1の緑色光、第2の緑色光を割り当てることによって解像度向上効果を十分に得ることができる。
【0023】
すなわち、本発明の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源部と、複数のサブ画素を有してなり、第1のサブフレーム期間に隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射する第1の色光と第2の色光、および前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記2つのサブ画素にそれぞれ入射する第3の色光と第4の色光を独立して変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現することができる。
【0024】
本発明のプロジェクタは、上記本発明の表示装置と、前記表示装置によって得られた光学像を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、空間光変調素子が1つで済むことでプロジェクタの小型化と低コスト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態を図1〜図7を参照して説明する。
本実施形態では、白色光源と回転カラーフィルターとを用いた液晶プロジェクタの一構成例について説明する。また、4種類の色光として、青色光、第1の緑色光(青味がかった緑色)、第2の緑色光(黄色味がかった緑色)、赤色光を用いることとする。以下の説明では、これらの色光を便宜的にB光、G1光、G2光、R光と表すことにする。
【0026】
図1は本実施形態のプロジェクタの概略構成図、図2は同プロジェクタで用いる回転カラーフィルターの分光特性を示す図、図3は同プロジェクタで用いるダイクロイックミラーの分光特性を示す図、図4は同プロジェクタで用いる液晶パネルの画素構成を示す図、図5は同液晶ライトバルブの断面図、である。なお、以下の各図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素毎に寸法や位置関係の縮尺を変えて示すこともある。
【0027】
本実施形態のプロジェクタ1は、図1に示すように、光源2、回転カラーフィルター3(時間的色光分離手段)、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5、空間的色光分離光学系6(空間的色光分離手段)、液晶ライトバルブ7(空間光変調素子)、投写レンズ8(投写手段)から概略構成されている。光源2は、例えば高圧水銀ランプ等の白色光を発光するランプ9を備え、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光(B光、G1光、G2光、R光)を含む照明光を射出する。ランプ9から射出された照明光は、リフレクター10で集光され、後述する回転カラーフィルター3に入射する。なお、光源2には、高圧水銀ランプの他、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプや、白色発光が可能なLED光源、EL(Electro-Luminescence)光源などを用いることもできる。
【0028】
回転カラーフィルター3は、図2に示すように、分光特性が異なる半円状の2つのフィルター領域3a,3bを有する円盤状の板体であり、回転軸11を中心に回転可能とされている。本実施形態の場合、第1のフィルター領域3aがB光、G2光を透過させ、G1光、R光を反射あるいは吸収し、第2のフィルター領域3bがG1光、R光を透過させ、B光、G2光を反射あるいは吸収することで、回転カラーフィルター3は所望のスペクトルを有する光を射出する。ここでは、B光として概ね380nm〜495nmの波長域に存在する光、G1光として概ね495nm〜525nmの波長域に存在する光、G2光として概ね525nm〜585nmの波長域に存在する光、R光として概ね585nm〜780nmの波長域に存在する光を想定しているが、これに限定されるものではない。ただし、緑色光に対する人間の視感度が高く、緑色光が画像鑑賞時の解像度感に大きな影響を及ぼすことを考慮すると、解像度感を向上させるという観点では、緑色光を2つの波長域に分離してそれぞれを独立に変調することが望ましい。
【0029】
以上の構成により、回転カラーフィルター3に入射した光のうち、第1のフィルター領域3aを通過した光はB光とG2光の合成光(以下、第1の合成光と称する)として射出され、第2のフィルター領域3bを通過した光はG1光とR光の合成光(以下、第2の合成光と称する)として射出される。また、回転カラーフィルター3の回転速度が適切に制御されることにより、これらの合成光は、後述する液晶ライトバルブ7における表示タイミングと対応して切り替えられる。すなわち、回転カラーフィルター3が1/60秒(1フレーム時間)に1回転することにより、回転カラーフィルター3から1/120秒(1サブフレーム時間)毎に第1の合成光と第2の合成光が交互に射出される。例えば、第1サブフレーム期間では第1の合成光が射出され、第2サブフレーム期間では第2の合成光が射出される。
【0030】
回転カラーフィルター3から射出された光は、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5を構成する第1リレーレンズ5a、第2リレーレンズ5bを経て空間的色光分離光学系6に入射する。ロッドインテグレータ4は回転カラーフィルター3から射出された光の強度分布を均一化させ、第1,第2リレーレンズ5a,5bはロッドインテグレータ4の射出端における光強度分布を有する光束を後述する液晶ライトバルブ7上に伝達する。なお、空間的色光分離光学系6の射出側に配置された第3リレーレンズ5cは空間的色光分離光学系6の入射側に配置しても良い。その場合、空間的色光分離光学系6における色光の分離性能を向上させ易い、という効果が得られる。空間的色光分離光学系6に入射する光の平行性が高いほど、空間的色光分離光学系6の分光性能を向上させ易いからである。
【0031】
空間的色光分離光学系6は、1つのダイクロイックミラー13と1つの反射ミラー14とから構成された反射素子を有しており、この反射素子に入射した第1,第2の合成光の各々をさらに2種類の色光に空間的に分離して射出する機能を有している。ダイクロイックミラー13と反射ミラー14とは、互いに非平行な状態となるように扇状に配置されている。より具体的には、XY平面上で入射光束の中心軸に対して45度の角度をなすような仮想軸AX(2点鎖線で示す)を想定し、この仮想軸AXを対称軸としてダイクロイックミラー13と反射ミラー14とが互いに非平行な状態(交角をなす状態)に配置されている。本実施形態では液晶ライトバルブ7に近い側(+X、+Y側)の端部では2枚のミラー13,14の間隔が狭く、液晶ライトバルブ7から遠い側(−X、−Y側)の端部では2枚のミラー13,14の間隔が拡がっている。ダイクロイックミラー13は後述するように特定波長域の光を反射させ、他の波長域の光を透過させて両者を空間的に分離する。ダイクロイックミラー13を透過した光は反射ミラー14で反射し、ダイクロイックミラー13を反射した光と類似の方向に進むが、上述の構成により、ダイクロイックミラー13からの反射光と反射ミラー14からの反射光は互いに射出方向がわずかに異なる状態となる。なお、反射ミラー14は特定波長域の光を反射するダイクロイックミラーであっても良い。
【0032】
ダイクロイックミラー13は、図3に示すように、B光、G1光を透過させ、G2光、R光を反射させる分光特性を有している。そのため、例えば第1サブフレーム期間において空間的色光分離光学系6に入射した第1の合成光のうち、B光はダイクロイックミラー13を透過して反射ミラー14で反射する一方、G2光はダイクロイックミラー13で反射する。したがって、第1の合成光は、射出方向が互いに異なるB光とG2光とに分離されて射出される。同様に、第2サブフレーム期間において、G1光はダイクロイックミラー13を透過して反射ミラー14で反射する一方、R光はダイクロイックミラー13で反射するため、第2の合成光も、射出方向が互いに異なるG1光とR光とに分離されて射出される。したがって、分離された2種類の色光は、互いにわずかに異なる角度で液晶ライトバルブ7の表示面に入射する。なお、ダイクロイックミラー13と反射ミラー14との交角(両者の非平行な配置関係)は、後述する液晶ライトバルブ7において1つのマイクロレンズに対応する2つのサブ画素がなす配置関係に応じて設定される。
【0033】
本実施形態の液晶ライトバルブ7は、互いにわずかに異なる角度で入射した2種類の色光を外部からの画像情報に基づいてそれぞれ独立に変調して光学像を形成し、入射側とは反対側から変調光束を射出する透過型の液晶パネルを有した2色変調液晶ライトバルブである。また、液晶ライトバルブ7は、透過型の液晶パネル15と、その光入射側、光射出側にそれぞれ配置された偏光板16,17とから構成されている。透過型の液晶パネルは、後述する隣接配置された一対のサブ画素に対して1個のマイクロレンズを備え、対応する一対のサブ画素に互いにわずかに異なる角度で入射する2種類の色光を独立に、かつ、1/120秒のサブフレーム時間毎に変調が可能である。
【0034】
具体的には、図5に示すように、ガラス等からなる一対の透明基板19,20の間にツイステッドネマチック(TN)液晶21が封入され、対向基板20上に共通電極22、不要光を遮光するためのブラックマトリクス23等が形成される一方、TFT基板19上には一対のサブ画素電極24a,24b、スイッチング素子としての薄膜トランジスタ25(TFT)等が形成されている。TFT25を介してサブ画素電極24a,24bに電圧が印加されると、サブ画素電極24a,24bと共通電極22との間に挟持された液晶21に電界が発生し、液晶21が駆動される。なお、液晶21は、1/120秒のサブフレーム時間毎に変調可能なものであれば、TN型液晶に限らず、水平配向型や垂直配向型、強誘電型や反強誘電型液晶等を用いることもできる。
【0035】
さらに、対向基板20の入射側には、複数のマイクロレンズ26をマトリクス状に配置してなるマイクロレンズアレイ27が設けられている。各マイクロレンズ26は、エッチング等によりガラス板の表面がレンズ形状に加工されて作製されたものであり、マイクロレンズアレイ27が形成されたガラス板とは異なる屈折率を有する樹脂層28(接着剤)を介して対向基板20に接着されている。マイクロレンズアレイ27は、空間的色光分離光学系6で射出方向が分離された2種類の色光(例えばB光(破線)、G2光(実線))をそれぞれ集光するとともに、空間的に分離した状態で配置された一対のサブ画素29a,29bにそれぞれ入射させる。すなわち、Y方向に並ぶ一対のサブ画素29a,29bに対して1個のマイクロレンズ26が対応するように、マイクロレンズアレイ27が構成されている。そのため、一対のサブ画素29a,29bが並ぶ方向は、空間的色光分離光学系6で色光の射出方向が分離される方向に設定されている。ここで、マイクロレンズ26のY方向の寸法は、一対のサブ画素29a,29bのY方向の寸法の和に略等しく、マイクロレンズ26のZ方向の寸法は、サブ画素29a,29bのZ方向の寸法に略等しくなるように設定されている。また、対向基板20の光入射側およびTFT基板19の光射出側には、それぞれ偏光板16,17が配置されている。
【0036】
液晶ライトバルブ7に入射した4種類の色光は、空間的にも時間的にも各々独立して変調され、外部からの画像情報に基づいて光学像を形成する。すなわち、図4(a)に示すように、第1サブフレーム期間においては、空間的色光分離光学系6によって第1の合成光から分離されたB光とG2光とが液晶ライトバルブ7に同時に入射し、一対のサブ画素のうちの第1のサブ画素29a(図4における左側のサブ画素)にB光が、第2のサブ画素29b(図4における右側のサブ画素)にG2光が各々分かれて入射して変調され、B光とG2光とからなる第1の画像を形成する。同様に、第2サブフレーム期間においては、図4(b)に示すように、第1のサブ画素29aにG1光が、第2のサブ画素29bにR光が各々入射して変調され、G1光とR光とからなる第2の画像を形成する。そして、第1の画像と第2の画像とが1/120秒の1サブフレーム時間毎に交互に形成(表示)される。
【0037】
ここでは、第1サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにB光、第2のサブ画素29bにG2光が入射し、第2サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにG1光、第2のサブ画素29bにR光が入射する例を挙げたが、サブフレームとサブ画素との間での色光の組み合わせはこれ以外にも複数あり、回転カラーフィルター3やダイクロイックミラー13等の分光特性を変えることによって、それらの組み合わせは自在に設定することができる。しかしながら、人間の視感度特性を考慮すると、解像度に対しては緑色光が支配的であるため、同一のサブ画素にG1光、G2光を割り当てた場合には解像度向上効果は生じにくく、本例のように異なるサブ画素にG1光、G2光を割り当てることによって解像度向上効果を十分に得ることができる。
【0038】
さらに、光源2に高圧水銀ランプを用いた場合、高圧水銀ランプは色光の中で緑色光の光量が最も多い傾向にある。そのため、同一のサブフレーム期間にG1光とG2光を割り当て、別のサブフレーム期間にB光とR光を割り当てると、サブフレーム間で光量変動が大きくなり、フリッカー(明るさのちらつき)が発生する恐れがあるため、好ましくない。したがって、フリッカー防止のためには、G1光とG2光とを別々のサブフレーム期間に割り当てることが好ましい。このように、解像度向上とフリッカー防止の観点から、本実施形態では図4に示した組み合わせが最適である。
【0039】
そして、液晶ライトバルブ7で形成された光学像は、投写レンズ8によって不図示のスクリーン上に1/120秒毎に交互に投写表示される。1/120秒毎に交互に投写された画像は、人間の視覚特性を考慮すると、1/120秒の時間単位で分離して視認されることはなく、各画像が積分して視認されるため、4種類の色光によって形成されたカラー画像として認識されることになる。
【0040】
本実施形態のプロジェクタ1においては、カラー表示にB光、G1光、G2光、R光の4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、4原色光を用いながらも液晶ライトバルブが1つで済むため、装置の小型化と低コスト化を実現することができる。
【0041】
また、本実施形態の場合、ダイクロイックミラー13の分光特性として、G2光とR光を反射させるように設定した。光源2に高圧水銀ランプを用いた場合、高圧水銀ランプは、一般に他の色光に比べてR光の強度が最も小さい傾向にある。一方、ダイクロイックミラーは一般に透過光よりも反射光の方が光損失が少ないという特性を有しているため、R光をダイクロイックミラー13で反射させる構成としたことによって、もともと強度が小さいR光の損失が少なくなり、他の色光との間で光強度のバランスを取りやすく、結果的に明るい画像を得ることができる。
【0042】
一方、光源2にキセノンランプやハロゲンランプを用いたとすると、これらのランプは一般にB(青)光やG1(青緑)光の強度が不足しがちな傾向にある。したがって、この場合にはダイクロイックミラー13の分光特性を、図6に示すように、B光、G1光を反射させ、G2光、R光を透過させるように設定すると良い。またこの場合、各色光のサブ画素への割り当ては、図7(a)、(b)に示すように、第1サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにG2光、第2のサブ画素29bにB光が入射し、第2サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにR光、第2のサブ画素29bにG1が入射するようにすると良い。このようにすると、上述したように、異なるサブ画素にG1光、G2光が割り当てられるので、解像度向上効果が十分に得られるのと同時に、比較的光強度が大きいG2光とR光とが別のサブフレーム期間に割り当てられるので、フリッカーを抑制して画質劣化を防止することができる。
【0043】
なお、1つの液晶ライトバルブで4原色光による表示を実現するのであれば、本実施形態のような空間的色光分離光学系6を用いず、単に1フレーム期間を4分割して(例えば4つのカラーフィルター領域を有する回転カラーフィルターを用いて)、各色光を独立に変調すればよいという考え方もある。ところが、時分割で変調する色光の数を増やすに従ってサブフレーム時間が短くなる(この例ではサブフレーム時間が1/240秒となる)が、液晶ライトバルブの応答速度に限界があるため、この方法ではサブフレーム時間あたりの階調数を十分に確保することができず、滑らかな階調表現が実現できない、本来存在しないはずの偽輪郭が生じ易くなる、投写画像の明るさが低下する等の画質劣化が生じる、等の課題がある。これに対して、本実施形態の構成であれば、サブフレーム時間を液晶が十分に応答可能な1/120秒(約8.3ミリ秒)としたことで、階調性を伴った光変調を十分に行えるため、明るさの低下を招くことなく滑らかな階調性を実現することができる。
【0044】
[第2の実施の形態]
以下、本発明の第2の実施の形態を図8、図9を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第1実施形態のプロジェクタと同様であり、時間的色光分離手段として、回転カラーフィルターに代えて、偏光状態切替光学系を備えた点が異なっている。
図8は本実施形態のプロジェクタの概略構成図、図9は同プロジェクタで用いる偏光状態切替光学系の構成および作用を示す図、である。なお、図8、図9において、第1実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、その構成要素の詳細な説明は省略する。
【0045】
本実施形態のプロジェクタ31の場合、図8に示すように、光源2から射出された4種類の色光を含む照明光は、リフレクター10で集光され、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5、空間的色光分離光学系6を経て偏光状態切替光学系32(時間的色光分離手段)に入射する構成となっている。空間的色光分離光学系6を構成するダイクロイックミラー13の分光特性は第1実施形態と同様である(図3に示した通り)。ところが、本実施形態では、第1実施形態で用いた回転カラーフィルター3を備えていないため、照明光が空間的色光分離光学系6に入射する時点では4種類の色光が混在したままであり、空間的色光分離光学系6での色光分離の様子が第1実施形態と異なっている。すなわち、空間的色光分離光学系6に入射した光源2からの光は、ダイクロイックミラー13を透過して反射ミラー14で反射するB光とG1光の合成光(以下、第1の合成光と称する)と、ダイクロイックミラー13で反射するG2光とR光の合成光(以下、第2の合成光と称する)とに分離され、射出方向が互いに異なる第1の合成光、第2の合成光として偏光状態切替光学系32に入射する。
【0046】
偏光状態切替光学系32は、図8、図9(a)、(b)に示すように、偏光板33と、波長選択位相差素子34とから構成されている。波長選択位相差素子34は、入射光の偏光状態を任意のタイミングで波長選択的に変換(例えば特定の波長域の光においてP偏光をS偏光に、もしくはS偏光をP偏光に変換)可能な機能を有している(例えば、カラーリンク社から「カラースイッチ」の商品名で市販されている)。特に本実施形態の場合、波長選択位相差素子34には、入射光の偏光状態を1/120秒毎に変換可能なものが用いられる。また、波長選択位相差素子34には特定の偏光を入射させる必要があるため、波長選択位相差素子34の入射側には偏光板33が配置されている。この偏光板33はS偏光を透過し、P偏光を吸収または反射する光学特性を有している。なお、偏光板33に代えて、あるいは偏光板33に加えて非偏光を特定の直線偏光に変換する偏光変換素子が配置されていても良い。なお、図9(a)、(b)において、各色光を示すB,G1,G2,R等の符号の後のカッコ内の添字は、nが非偏光、sがS偏光、pがP偏光をそれぞれ示している。
【0047】
波長選択位相差素子34からは、第1の合成光のうちの一方の色光と第2の合成光のうちの一方の色光の偏光状態が1/120秒毎に変換されて射出される。例えば、各色光が偏光板33によってランダム偏光からS偏光に変換された後、第1サブフレーム期間においては、図9(a)に示すように、第1の合成光のうちのG1光と第2の合成光のうちのR光がS偏光からP偏光に変換される(B光とG2光はS偏光のまま変化しない)。そして、第2サブフレーム期間においては、図9(b)に示すように、第1の合成光のうちのB光と第2の合成光のうちのG2光がS偏光からP偏光に変換される(G1光とR光はS偏光のまま変化しない)。
【0048】
このように、波長選択位相差素子34によって偏光状態が変換された色光を含む第1,第2の合成光は、液晶ライトバルブ7の入射側の偏光板16に入射し、偏光板16の偏光軸との関係により偏光板16を透過する色光と偏光板で吸収(遮光)される色光とに分離される。ここでは、偏光板16は、例えばS偏光を透過し、P偏光を吸収するように光学特性が設定されている。これにより、第1サブフレーム期間には、図9(a)に示すように、第1の合成光のうちのB光と第2の合成光のうちのG2光は偏光板16を透過して液晶パネル15に入射するが、第1の合成光のうちのG1光と第2の合成光のうちのR光は偏光板16で遮光され、液晶パネル15には入射しない。逆に、第2サブフレーム期間には、図9(b)に示すように、第1の合成光のうちのG1光と第2の合成光のうちのR光は偏光板16を透過して液晶パネル15に入射するが、第1の合成光のうちのB光と第2の合成光のうちのG2光は偏光板16で遮光され、液晶パネル15には入射しない。このように、波長選択位相差素子34を用いて色光毎の偏光状態を1/120秒毎に切り替えることによって、液晶ライトバルブ7に入射する色光をサブフレーム期間毎に順次切り替えることができる。
なお、液晶ライトバルブ7に入射した各色光の振る舞いや、サブフレーム期間・サブ画素における色光の組み合わせ配置等については、第1実施形態と同様である。
【0049】
本実施形態のプロジェクタ31においても、表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1実施形態と同様の色光の組み合わせ配置を採用したことで、解像度の向上やフリッカーの抑制が図れる効果も同様である。なお、画像表示に際して照明光として偏光を必要とする液晶パネルを空間光変調素子として使用する場合には、本実施形態のように偏光状態によって液晶パネルに入射する色光を切り替える形態を採用すれば、光利用効率を高め易く投写画像の明るさを向上させ易い。
【0050】
[第3の実施の形態]
以下、本発明の第3の実施の形態を図10、図11を参照して説明する。
第1,第2実施形態では、光源に高圧水銀ランプ等の可視全域にわたって発光スペクトルを有する光源、いわゆる白色光源を用いたのに対し、本実施形態のプロジェクタでは、白色光源に代えて、LED光源等からなる、いわゆる単色光源を用いた点が異なっている。
図10は本実施形態のプロジェクタの概略構成図、図11は同プロジェクタで用いるダイクロイックミラーの分光特性を示す図、である。なお、図10において、第1実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、その構成要素の詳細な説明は省略する。
【0051】
本実施形態のプロジェクタ41は、図10に示すように、光源部42、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5、空間的色光分離光学系6、液晶ライトバルブ7、投写レンズ8から概略構成されている。光源部42は、波長域が各々異なる単色光を発光可能な4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rと、各LED光源からの色光を合成する3つのダイクロイックミラー44a,44b,44cとを有している。4つのLED光源は、B光を発光するB−LED光源43B(第1の光源)、G1光を発光するG1−LED光源43G1(第3の光源)、G2光を発光するG2−LED光源43G2(第2の光源)、R光を発光するR−LED光源43R(第4の光源)である。各色光の波長域は第1実施形態と共通とする。なお、光源としては、単色光を発光可能な光源であれば、LED光源の他、レーザ光源、EL光源等を用いることも可能である。
【0052】
さらに、B−LED光源43BとG1−LED光源43G1からそれぞれ発光されるB光とG1光との光路が交わる位置に第1のダイクロイックミラー44aが配置され、G2−LED光源43G2とR−LED光源43Rからそれぞれ発光されるG2光とR光との光路が交わる位置に第2のダイクロイックミラー44bが配置され、B−LED光源43BとR−LED光源43Rからそれぞれ発光されるB光とR光との光路が交わる位置に第3のダイクロイックミラー44cが配置されている。
【0053】
各ダイクロイックミラー44a,44b,44cの分光特性は図11に示す通りであり、第1のダイクロイックミラー44aは、図11(a)に示すように、B光を透過させ、少なくともG1光を反射させる分光特性を有している。第2のダイクロイックミラー44bは、図11(b)に示すように、R光を透過させ、少なくともG2光を反射させる分光特性を有している。第3のダイクロイックミラー44cは、図11(c)に示すように、B光、G1光を透過させ、G2光、R光を反射させる分光特性を有している。このような分光特性を有する第1〜第3のダイクロイックミラー44a,44b,44cによって、4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rから射出された各色光は、一つの光路となるように合成される。
【0054】
カラー画像を表示する場合、一般的に青色光、緑色光、赤色光の光量比は概ね1:6:3に設定されるように、他の色光に比べて緑色光の光量は多く必要である。そのため、発光波長域が異なる複数の光源を用いた場合には、光源間での発光効率が略同等であれば、緑色光を発する光源(本実施形態ではG1−LED光源43G1、G2−LED光源43G2)の光量を多く設定する必要がある。したがって、本実施形態ではG1−LED光源43G1あるいはG2−LED光源43G2からの色光を各ダイクロイックミラー44a,44b,44cで反射する形態で他の色光と合成している。これにより、G1−LED光源43G1あるいはG2−LED光源43G2からの色光のダイクロイックミラーにおける反射効率を高められるため、他の色光との間で光強度のバランスを取りやすく、結果的に明るい画像が得られる。なお、光源間での発光効率の差が大きい場合には、ダイクロイックミラーで反射する色光は緑色光に限定されず、ダイクロイックミラーにおける光損失を考慮して、光損失を最小限に留めつつ他の色光との間で光強度のバランスを取りやすいように、各ダイクロイックミラーに対する単色光源からの色光の配置形態を設定することが望ましい。
【0055】
ここで、4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rの全てが同時に発光するのではなく、発光するLED光源が(1サブフレーム時間に対応する)1/120秒毎に切り替わるとともに、発光するLED光源の組み合わせも変化する。すなわち、各LED光源は、時間的に連続して発光するのではなく、長くとも1/120秒間発光した後、少なくとも1/120秒間発光しないという具合に間欠的に点灯する。例えば、第1サブフレーム期間では、B−LED光源43BとG2−LED光源43G2が同時に発光してB光とG2光とを含む合成光が生成され、第2サブフレーム期間では、G1−LED光源43G1とR−LED光源43Rが同時に発光してG1光とR光とを含む合成光が生成される。そして、上記の各合成光は、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5を経て、空間的色光分離光学系6に入射する。また、空間的色光分離光学系6を構成するダイクロイックミラー13の分光特性は第1実施形態と同様である(図3に示した通り)。
【0056】
そして、空間的色光分離光学系6に入射した各合成光は、射出方向が互いに異なるB光とG2光に、また、G1光とR光に各々分離されて射出され、液晶ライトバルブ7に入射する。以下、液晶ライトバルブ7に入射した後の各色光の振る舞いや、サブフレーム期間・サブ画素における色光の組み合わせ配置については、第1実施形態と同様である。
【0057】
本実施形態のプロジェクタ41においても、表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった第1、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1、第2実施形態と同様の色光の組み合わせ配置を採用したことで、解像度の向上やフリッカーの抑制が図れる点も同様である。
【0058】
さらに本実施形態特有の作用、効果として、4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rを2つずつ交互に発光させるだけで2種類の合成光をサブフレーム期間毎に交互に生成できる点が挙げられる。そのため、第1,第2実施形態で用いた回転カラーフィルターや波長選択位相差素子等の時間的色光分離光学系が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。また、発光波長が各々異なる4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rを用いているため、サブフレーム期間毎の色光の組み合わせを自在に設定することができる。これにより、途中に介在する空間的色光分離光学系6のダイクロイックミラー13を作製が比較的容易な分光特性に設定できるため、空間的色光分離光学系6の高性能化や低コスト化を実現し易いという効果が得られる。また、発光波長に応じた複数のLED光源43B,43G1,43G2,43Rを用いていることから、それらの光源を常時発光させる必要がなく、間欠的に発光させれば良いため、発光輝度を高め易く、明るい投写表示を実現することができる。
【0059】
[第4の実施の形態]
以下、本発明の第4の実施の形態を図12を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタは、LED光源等からなる単色光源を用いた点は第3実施形態と同様であるが、空間的色光分離光学系を用いない構成にした点が第3実施形態と異なっている。
図12は本実施形態のプロジェクタの概略構成図である。なお、図12において、第1実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、その構成要素の詳細な説明は省略する。
【0060】
本実施形態のプロジェクタ51は、図12に示すように、LED光源43B,43G1,43G2,43Rとダイクロイックミラー44a,44bとロッドインテグレータ4とを含む2組の光源部42A,42B、リレーレンズ系5、液晶ライトバルブ7、投写レンズ8から概略構成されている。各光源部42A,42Bは、波長域が各々異なる単色光を発光可能な2つのLED光源43B,43G1(43G2,43R)と、2つのLED光源からの色光を合成する1つのダイクロイックミラー44a(44b)と、1つのロッドインテグレータ4とを有している。各光源部の2つのLED光源は異なるサブフレーム期間に発光するLED光源であって、第1の光源部42AはB−LED光源43B(第1の光源)とG1−LED光源43G1(第3の光源)を含み、第2の光源部42BはG2−LED光源43G2(第2の光源)とR−LED光源43R(第4の光源)を含んでいる。各色光の波長域や、LED光源以外にレーザ光源、EL光源等を用いることができる点は第3実施形態と同様である。また、2つのダイクロイックミラー44a,44bの分光特性は第3実施形態と同様である(図11に示した通り)。
【0061】
さらに、第1の光源部42Aにおいて、B−LED光源43BとG1−LED光源43G1からそれぞれ発光されるB光とG1光との光路が交わる位置に第1のダイクロイックミラー44aが配置されている。同様に、第2の光源部42Bにおいて、G2−LED光源43G2とR−LED光源43Rからそれぞれ発光されるG2光とR光との光路が交わる位置に第2のダイクロイックミラー44bが配置されている。これらダイクロイックミラー44a,44bにより、B光とG1光の光路が一つの光路となるように、また、G2光とR光の光路が一つの光路となるように合成される。
【0062】
ここで、発光するLED光源が1/120秒毎に切り替わり、例えば、第1サブフレーム期間では、B−LED光源43BとG2−LED光源43G2が同時に発光し、第2サブフレーム期間では、G1−LED光源43G1とR−LED光源43Rが同時に発光する。そして、これら色光はそれぞれロッドインテグレータ4に入射する。ここで、各ロッドインテグレータ4毎に設定された2つの合成光の光路が互いに非平行な状態となるように、第1,第2の光源部42A,42Bが扇状に配置されている。本実施形態では、リレーレンズ5bに近い側(+Y側)で2本の光路の間隔が狭く、リレーレンズ5bから遠い側(−Y側)では2本の光路の間隔が拡がっている。したがって、同時に射出された2種類の色光は、互いにわずかに異なる角度で液晶ライトバルブ7の隣接する2つのサブ画素に入射する。なお、各光源部42A,42Bの2本の光路の交角(両者の非平行な配置関係)は、液晶ライトバルブ7において1つのマイクロレンズに対応する2つのサブ画素がなる配置関係に応じて設定される。液晶ライトバルブ7に入射した各色光の振る舞いや、サブフレーム期間・サブ画素における色光の組み合わせ配置については、第1実施形態と同様である。
【0063】
本実施形態のプロジェクタ51においても、表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態の場合、2組の光源部42A,42Bを互いに非平行な状態に配置しただけで各光源部42A,42Bからの光を液晶ライトバルブ7の2つのサブ画素に入射させることができるため、第3実施形態で用いた空間的色光分離光学系が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。また、上記の実施形態と同様の色光の組み合わせ配置を採用したことで、解像度の向上やフリッカーの抑制が図れる点も同様である。
【0064】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、光源と空間的色光分離手段との間に、光源から射出される非偏光な光を液晶ライトバルブの入射側偏光板に合わせた偏光に変換する偏光変換素子を備えても良い。これにより、光の利用効率を高めることができる。さらに、空間的色光分離光学系のダイクロイックミラーでは、一般にP偏光よりもS偏光の方が反射率が高いため、非偏光な光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えることによって、光利用効率をより向上させることができる。
【0065】
また、上記実施形態では、4種類の色光をB光、G1光、G2光、R光と想定したが、必ずしもこれら4色に限るものではなく、アプリケーションによって様々な組み合わせが考えられる。表示可能な色域の拡大という観点では上記実施形態で例示したB光、G1光、G2光、R光の組み合わせが好ましいが、例えば肌色の表現力を向上させ易いとの観点ではB光、G光、Or(橙色)光、R光の組み合わせが、また、医用画像の表現力を向上させ易いとの観点ではB光、G光、R1光(短波長よりの赤色光)、R2光(長波長よりの赤色光)の組み合わせが好ましいという具合である。
【0066】
また、上記実施形態で例示した各種の構成の詳細部分は上記の例に限るものではなく、適宜変更が可能である。例えば、光源の射出側に配置する光強度均一化手段としてロッドインテグレータに代えて、レンズアレイ方式のインテグレータを用いても良い。そして、空間光変調素子としては透過型の液晶ライトバルブのみならず、例えばLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等に代表される反射型の液晶ライトバルブを本発明に適用することも可能である。さらに、プロジェクタのみならず、バックライトを光源部とした直視型の液晶ディスプレイに本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】本発明の第1実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【図2】同、プロジェクタの回転カラーフィルターの分光特性を示す図である。
【図3】同、プロジェクタのダイクロイックミラーの分光特性を示す図である。
【図4】同、プロジェクタの液晶パネルの画素構成を示す図である。
【図5】同、液晶ライトバルブの断面図である。
【図6】同、ダイクロイックミラーの分光特性の他の例を示す図である。
【図7】同、液晶パネルの画素構成の他の例を示す図である。
【図8】本発明の第2実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【図9】同、プロジェクタの偏光状態切替光学系の構成と作用を示す図である。
【図10】本発明の第3実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【図11】同、プロジェクタのダイクロイックミラーの分光特性を示す図である。
【図12】本発明の第4実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【符号の説明】
【0068】
1,31,41,51…プロジェクタ、2…光源、3…回転カラーフィルター(時間的色光分離手段)、6…空間的色光分離光学系(空間的色光分離手段)、7…液晶ライトバルブ(空間光変調素子)、8…投写レンズ(投写手段)、13,44a,44b,44c,44d…ダイクロイックミラー、14…反射ミラー、29a,29b…サブ画素、32…偏光状態切替光学系(時間的色光分離手段)、33…偏光板、34…波長選択位相差素子、42,42A,42B…光源部、43B,43G1,43G2,43R…LED光源。
【技術分野】
【0001】
本発明は、表示装置およびプロジェクタに関し、特に広範囲の色域を表現可能であって4種類の色光を用いて投写画像を形成するプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【0002】
ディスプレイ機器の高性能化に伴って、実物を忠実かつ自然な色で再現するための技術が求められている。一般的なディスプレイ機器では、赤色光(R)、緑色光(G)、青色光(B)の3原色の色光を用いてカラー画像を生成する方法が用いられている。ところが、カラーフィルターや蛍光体等の制約もあり、この方法では人間が知覚できる色域の(マンセル色票集換算で)5割程度しかカバーすることができない。したがって、ディスプレイに表示される色は実物とは異なる色合いになる場合があり、ディスプレイ機器の応用分野が自ずと限定されてしまう。そのため、より広範囲な色域をカバーできるディスプレイ機器の開発が望まれている。
【0003】
このような背景の下、変調する色光を従来の3原色よりも増やすことで表示可能な色域を拡大する、いわゆる多原色ディスプレイの開発が活発化してきている(例えば、非特許文献1参照)。これは、小型のライトバルブに形成した画像を拡大投写することで大画面表示を実現するプロジェクタにおいても同様である。
【0004】
また、非特許文献2には、透過型の液晶ライトバルブを4枚用いたプロジェクタが開示されている。このプロジェクタにおいては、単独で変調が可能な黄色光(Y)を従来の3原色光(R,G,B)に加えることで、表示可能な色域が従来比で1.45倍程度に拡大され、従来のプロジェクタでは表現できなかった色合いを表現できるようになっている。
【非特許文献1】山口雅浩、「多原色ディスプレイ」、”カラーフォーラムJAPAN'99論文集”、光学四学会、1999年11月、p.73-79
【非特許文献2】S.Roth, et al. 2005 SID Int. Symp. Tech. Digest of Papers, p.1818-1821(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の非特許文献1,2に開示されたプロジェクタは、3つの液晶ライトバルブで独立に変調された3原色をクロスダイクロイックプリズムで合成する、という現在のプロジェクタで使用されている光学構成を基本とし、そこに従来と同じ液晶ライトバルブを4つ目の光変調手段として付加することで、多原色ディスプレイを実現したものである。
このように、多原色光を用いたプロジェクタは原理的には実現されているものの、液晶ライトバルブの増加に伴って部品点数も増加し、光学系の構成が複雑になってしまう。そのため、プロジェクタ装置の小型化と低コスト化が難しいという課題がある。
【0006】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、4種類の色光を用いて画像を形成することにより従来の装置に比べて表示可能な色域を拡大しつつも、装置の小型化と低コスト化を実現し、実用性の高い表示装置およびプロジェクタ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】
【0007】
上記の目的を達成するために、本発明の第1の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、前記4種類の色光を含む照明光を波長域によって時間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する時間的色光分離手段と、前記第1の照明光、前記第2の照明光のそれぞれに含まれる色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0008】
なお、本発明で言う「サブフレーム期間」とは、1フレーム期間を2分割した期間のことであって、例えば、空間光変調素子を一般的な駆動周波数である60Hzで駆動した場合、1フレーム期間に相当する時間が1/60秒(約16.6ミリ秒)であるのに対し、1サブフレーム期間に相当する時間は1/120秒(約8.3ミリ秒)となる。また、「サブ画素」とは、1画素を構成する最小単位であって、本発明の場合には隣接配置された2つのサブ画素で1画素を構成する。
【0009】
本発明の第1の表示装置は、2種類の色光を独立して変調可能であり、1サブフレーム時間(例えば1/120秒(120Hz))単位での表示が可能な空間光変調素子を一つ用い、この空間光変調素子にサブフレーム毎に組み合わせの異なる2種類ずつの色光を入射させ、各色光を変調することによって、1フレーム単位で4原色光を用いたカラー表示を実現するものである。換言すると、本発明の表示装置は、サブフレーム毎に組み合わせの異なる2種類の色光を変調する時分割型変調と、空間光変調素子上で空間的に分離して得られた異なる2種類の色光を変調する空間分離型変調を併用している点が特徴である。これにより、一般的な表示時間単位であるフレーム時間(1/60秒、60Hz表示)単位で見れば、1つの空間光変調素子を用いて4原色光を用いたカラー表示が可能となる。このように、本発明の第1の表示装置においては、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、空間光変調素子が1つで済むため、装置の小型化と低コスト化を実現することができる。
【0010】
本発明の第2の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、前記4種類の色光を含む照明光を空間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とを生成する空間的色光分離手段と、第1のサブフレーム期間において、前記4種類の色光のうち、前記第1の色光と前記第3の色光とを第1の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを第2の偏光状態に変換し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間において、前記第1の色光と前記第3の色光とを前記第2の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを前記第1の偏光状態に変換し、前記第1の偏光状態、前記第2の偏光状態のいずれか一方の色光を選択的に透過させ、前記第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第3の色光とを生成し、前記第2のサブフレーム期間に前記第2の色光と前記第4の色光とを生成する時間的色光分離手段と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第3の色光、もしくは前記第2の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0011】
本発明の第2の表示装置においても、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現でき、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった本発明の第1の表示装置と同様の効果を得ることができる。また、本発明の第1の表示装置では、時間的色光分離手段が波長域に応じて色光を時間的に分離するのに対し、本発明の第2の表示装置では、時間的色光分離手段が偏光状態に応じて色光を時間的に分離する点が異なっている。したがって、本構成は、例えば液晶ライトバルブのように、空間光変調素子が偏光光により変調を行うものに用いたときに好適である。
【0012】
また、前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光である場合、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射される構成であることが望ましい。
青色光、緑色光、赤色光の中では、緑色光が最も解像度への影響が大きい色光である。よって、1画素を構成する2つのサブ画素のうち、同一のサブ画素に(異なるサブフレーム期間で)第1の緑色光、第2の緑色光を割り当てたのでは解像度向上効果は得にくく、異なるサブ画素に(異なるサブフレーム期間、同一のサブフレーム期間にかかわらず)第1の緑色光、第2の緑色光を割り当てることによって解像度向上効果を十分に得ることができる。
【0013】
さらに上記の構成において、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、時間的に隣接する2つのサブフレーム期間のそれぞれに生成されることが望ましい。
カラー画像を表示する場合、一般的に青色光、緑色光、赤色光の光量比は概ね1:6:3に設定されるように、他の色光に比べて緑色光の光量が最も多い傾向にある(例えば、光源として高圧水銀ランプのような緑色の光量が他の色の光量よりも多い光源を用いた場合には、特にそのような傾向となる)。したがって、同一のサブフレーム期間に第1の緑色光と第2の緑色光を割り当て、別のサブフレーム期間に赤色光と青色光を割り当てると、サブフレーム間での光量の変動が大きくなり、フリッカー(明るさのちらつき)が発生する恐れがあるため、好ましくない。したがって、フリッカー防止の観点から、第1の緑色光と第2の緑色光とを別々のサブフレーム期間に割り当てることが好ましい。
【0014】
本発明の第3の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する光源部と、前記第1の照明光および前記第2の照明光のそれぞれに含まれる2種類の色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0015】
本発明の第1,第2の表示装置は、光源として例えば高圧水銀ランプ等の可視全域にわたって発光スペクトルを有する光源、いわゆる白色光源を想定しているのに対し、本発明の第3の表示装置は、光源として例えば発光ダイオード(Light Emitting Diode, 以下、LEDと略記する)、EL(Electro Luminescence)、レーザ等の発光波長域が可視全域にわたらず、狭い波長域の光(以下、このような光を単色光、単色光を発する光源を単色光源と呼称する)を発する単色光源を想定している。本発明の第3の表示装置においても、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現でき、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった本発明の第1,第2の表示装置と同様の効果を得ることができる。
【0016】
さらに、本発明の第3の表示装置においては、第1の光源、第2の光源の組と、第3の光源、第4の光源の組とを交互に発光させるだけで、第1の色光と第2の色光を含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光を含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成することができる。そのため、本発明の第3の表示装置では、本発明の第1,第2の表示装置で用いた時間的色光分離手段が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。また、波長域が異なる4種の光源を用いているため、サブフレーム期間毎の色光の組み合わせを自在に設定することができる。これにより、途中に介在する空間的色光分離手段を作製が容易な分光特性に設定できるため、空間的色光分離手段の高性能化や低コスト化を実現し易い。また、複数の光源を間欠的に発光させれば良いため、発光輝度を高め易く、明るい表示を実現することができる。
【0017】
本発明の第1〜第3の表示装置において、前記空間的色光分離手段として、少なくとも一方が波長選択反射面である2つの反射面を入射光に対する入射角が異なるように配置した反射素子を含むものを用いることができる。
この構成においては、少なくとも一方の波長選択反射面を4種類の色光のうちの2種類を透過し、残りの2種類を反射させる特性を持つように設計する。こうすることにより、2つの反射面に2種類ずつの色光が入射されることになるが、2つの反射面を互いに入射角が異なるように配置しているため、2種類ずつの色光の反射光の射出角も異なることになる。したがって、2つの反射面の傾きを最適化することによって2種類ずつの色光の反射光の空間光変調素子に対する入射角を制御でき、それぞれの色光を隣接した2つのサブ画素に精度良く入射させることができる。
【0018】
また、前記反射素子の前記波長選択反射面で反射する色光が、前記光源から射出される色光のうちで光強度が最も小さい色光であることが望ましい。
反射素子の波長選択反射面(ダイクロイック面)に所定の波長域を持つ色光を入射させたとき、その反射特性と透過特性は一般的に同等ではなく、透過光よりも反射光の方が光損失が少ない。したがって、いずれの色光を波長選択反射面で反射させても透過させても本発明の構成を実現できるが、光源から射出される色光のうちで光強度が最も小さい色光を波長選択反射面で反射させる構成とする方が、もともと強度が小さい色光の損失が少ないため、他の色光との間で光強度のバランスを取りやすく、結果的に明るい画像が得られる点で好ましい。
【0019】
さらに上記の構成の場合、前記光源と前記空間的色光分離手段との間に、前記光源から射出される非偏光の光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えることが望ましい。
反射素子の波長選択反射面では、一般にP偏光よりもS偏光の方が反射率が高いため、光源から射出される非偏光の光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えることによって、光利用効率を向上させることができる。
【0020】
本発明の第4の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成するとともに、前記第1の色光と前記第2の色光とを空間的に離れた位置に射出可能、かつ、前記第3の色光と前記第4の色光とを空間的に離れた位置に射出可能な光源部と、複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
【0021】
本発明の第4の表示装置は、本発明の第3の表示装置と同様、光源としてLED、EL、レーザ等の単色光を発光する単色光源を想定している。本発明の第4の表示装置においても、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現でき、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった本発明の第1〜第3の表示装置と同様の効果を得ることができる。さらに、本発明の第4の表示装置においては、光源部が、第1の色光と第2の色光とを空間的に離れた位置に射出可能、第3の色光と第4の色光とを空間的に離れた位置に射出可能としたことで、これら各色光を隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射させることができる。そのため、本発明の第4の表示装置では、本発明の第3の表示装置で用いた空間的色光分離手段が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。
【0022】
また、前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光である場合、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射されることが望ましい。
本発明の第3,第4の表示装置においても、本発明の第1,第2の表示装置について説明したのと同様、異なる2つのサブ画素に第1の緑色光、第2の緑色光を割り当てることによって解像度向上効果を十分に得ることができる。
【0023】
すなわち、本発明の表示装置は、照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源部と、複数のサブ画素を有してなり、第1のサブフレーム期間に隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射する第1の色光と第2の色光、および前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記2つのサブ画素にそれぞれ入射する第3の色光と第4の色光を独立して変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、空間光変調素子が1つで済むことで装置の小型化と低コスト化を実現することができる。
【0024】
本発明のプロジェクタは、上記本発明の表示装置と、前記表示装置によって得られた光学像を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、カラー表示に4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、空間光変調素子が1つで済むことでプロジェクタの小型化と低コスト化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態を図1〜図7を参照して説明する。
本実施形態では、白色光源と回転カラーフィルターとを用いた液晶プロジェクタの一構成例について説明する。また、4種類の色光として、青色光、第1の緑色光(青味がかった緑色)、第2の緑色光(黄色味がかった緑色)、赤色光を用いることとする。以下の説明では、これらの色光を便宜的にB光、G1光、G2光、R光と表すことにする。
【0026】
図1は本実施形態のプロジェクタの概略構成図、図2は同プロジェクタで用いる回転カラーフィルターの分光特性を示す図、図3は同プロジェクタで用いるダイクロイックミラーの分光特性を示す図、図4は同プロジェクタで用いる液晶パネルの画素構成を示す図、図5は同液晶ライトバルブの断面図、である。なお、以下の各図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素毎に寸法や位置関係の縮尺を変えて示すこともある。
【0027】
本実施形態のプロジェクタ1は、図1に示すように、光源2、回転カラーフィルター3(時間的色光分離手段)、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5、空間的色光分離光学系6(空間的色光分離手段)、液晶ライトバルブ7(空間光変調素子)、投写レンズ8(投写手段)から概略構成されている。光源2は、例えば高圧水銀ランプ等の白色光を発光するランプ9を備え、可視域の中で波長域の異なる4種類の色光(B光、G1光、G2光、R光)を含む照明光を射出する。ランプ9から射出された照明光は、リフレクター10で集光され、後述する回転カラーフィルター3に入射する。なお、光源2には、高圧水銀ランプの他、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプや、白色発光が可能なLED光源、EL(Electro-Luminescence)光源などを用いることもできる。
【0028】
回転カラーフィルター3は、図2に示すように、分光特性が異なる半円状の2つのフィルター領域3a,3bを有する円盤状の板体であり、回転軸11を中心に回転可能とされている。本実施形態の場合、第1のフィルター領域3aがB光、G2光を透過させ、G1光、R光を反射あるいは吸収し、第2のフィルター領域3bがG1光、R光を透過させ、B光、G2光を反射あるいは吸収することで、回転カラーフィルター3は所望のスペクトルを有する光を射出する。ここでは、B光として概ね380nm〜495nmの波長域に存在する光、G1光として概ね495nm〜525nmの波長域に存在する光、G2光として概ね525nm〜585nmの波長域に存在する光、R光として概ね585nm〜780nmの波長域に存在する光を想定しているが、これに限定されるものではない。ただし、緑色光に対する人間の視感度が高く、緑色光が画像鑑賞時の解像度感に大きな影響を及ぼすことを考慮すると、解像度感を向上させるという観点では、緑色光を2つの波長域に分離してそれぞれを独立に変調することが望ましい。
【0029】
以上の構成により、回転カラーフィルター3に入射した光のうち、第1のフィルター領域3aを通過した光はB光とG2光の合成光(以下、第1の合成光と称する)として射出され、第2のフィルター領域3bを通過した光はG1光とR光の合成光(以下、第2の合成光と称する)として射出される。また、回転カラーフィルター3の回転速度が適切に制御されることにより、これらの合成光は、後述する液晶ライトバルブ7における表示タイミングと対応して切り替えられる。すなわち、回転カラーフィルター3が1/60秒(1フレーム時間)に1回転することにより、回転カラーフィルター3から1/120秒(1サブフレーム時間)毎に第1の合成光と第2の合成光が交互に射出される。例えば、第1サブフレーム期間では第1の合成光が射出され、第2サブフレーム期間では第2の合成光が射出される。
【0030】
回転カラーフィルター3から射出された光は、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5を構成する第1リレーレンズ5a、第2リレーレンズ5bを経て空間的色光分離光学系6に入射する。ロッドインテグレータ4は回転カラーフィルター3から射出された光の強度分布を均一化させ、第1,第2リレーレンズ5a,5bはロッドインテグレータ4の射出端における光強度分布を有する光束を後述する液晶ライトバルブ7上に伝達する。なお、空間的色光分離光学系6の射出側に配置された第3リレーレンズ5cは空間的色光分離光学系6の入射側に配置しても良い。その場合、空間的色光分離光学系6における色光の分離性能を向上させ易い、という効果が得られる。空間的色光分離光学系6に入射する光の平行性が高いほど、空間的色光分離光学系6の分光性能を向上させ易いからである。
【0031】
空間的色光分離光学系6は、1つのダイクロイックミラー13と1つの反射ミラー14とから構成された反射素子を有しており、この反射素子に入射した第1,第2の合成光の各々をさらに2種類の色光に空間的に分離して射出する機能を有している。ダイクロイックミラー13と反射ミラー14とは、互いに非平行な状態となるように扇状に配置されている。より具体的には、XY平面上で入射光束の中心軸に対して45度の角度をなすような仮想軸AX(2点鎖線で示す)を想定し、この仮想軸AXを対称軸としてダイクロイックミラー13と反射ミラー14とが互いに非平行な状態(交角をなす状態)に配置されている。本実施形態では液晶ライトバルブ7に近い側(+X、+Y側)の端部では2枚のミラー13,14の間隔が狭く、液晶ライトバルブ7から遠い側(−X、−Y側)の端部では2枚のミラー13,14の間隔が拡がっている。ダイクロイックミラー13は後述するように特定波長域の光を反射させ、他の波長域の光を透過させて両者を空間的に分離する。ダイクロイックミラー13を透過した光は反射ミラー14で反射し、ダイクロイックミラー13を反射した光と類似の方向に進むが、上述の構成により、ダイクロイックミラー13からの反射光と反射ミラー14からの反射光は互いに射出方向がわずかに異なる状態となる。なお、反射ミラー14は特定波長域の光を反射するダイクロイックミラーであっても良い。
【0032】
ダイクロイックミラー13は、図3に示すように、B光、G1光を透過させ、G2光、R光を反射させる分光特性を有している。そのため、例えば第1サブフレーム期間において空間的色光分離光学系6に入射した第1の合成光のうち、B光はダイクロイックミラー13を透過して反射ミラー14で反射する一方、G2光はダイクロイックミラー13で反射する。したがって、第1の合成光は、射出方向が互いに異なるB光とG2光とに分離されて射出される。同様に、第2サブフレーム期間において、G1光はダイクロイックミラー13を透過して反射ミラー14で反射する一方、R光はダイクロイックミラー13で反射するため、第2の合成光も、射出方向が互いに異なるG1光とR光とに分離されて射出される。したがって、分離された2種類の色光は、互いにわずかに異なる角度で液晶ライトバルブ7の表示面に入射する。なお、ダイクロイックミラー13と反射ミラー14との交角(両者の非平行な配置関係)は、後述する液晶ライトバルブ7において1つのマイクロレンズに対応する2つのサブ画素がなす配置関係に応じて設定される。
【0033】
本実施形態の液晶ライトバルブ7は、互いにわずかに異なる角度で入射した2種類の色光を外部からの画像情報に基づいてそれぞれ独立に変調して光学像を形成し、入射側とは反対側から変調光束を射出する透過型の液晶パネルを有した2色変調液晶ライトバルブである。また、液晶ライトバルブ7は、透過型の液晶パネル15と、その光入射側、光射出側にそれぞれ配置された偏光板16,17とから構成されている。透過型の液晶パネルは、後述する隣接配置された一対のサブ画素に対して1個のマイクロレンズを備え、対応する一対のサブ画素に互いにわずかに異なる角度で入射する2種類の色光を独立に、かつ、1/120秒のサブフレーム時間毎に変調が可能である。
【0034】
具体的には、図5に示すように、ガラス等からなる一対の透明基板19,20の間にツイステッドネマチック(TN)液晶21が封入され、対向基板20上に共通電極22、不要光を遮光するためのブラックマトリクス23等が形成される一方、TFT基板19上には一対のサブ画素電極24a,24b、スイッチング素子としての薄膜トランジスタ25(TFT)等が形成されている。TFT25を介してサブ画素電極24a,24bに電圧が印加されると、サブ画素電極24a,24bと共通電極22との間に挟持された液晶21に電界が発生し、液晶21が駆動される。なお、液晶21は、1/120秒のサブフレーム時間毎に変調可能なものであれば、TN型液晶に限らず、水平配向型や垂直配向型、強誘電型や反強誘電型液晶等を用いることもできる。
【0035】
さらに、対向基板20の入射側には、複数のマイクロレンズ26をマトリクス状に配置してなるマイクロレンズアレイ27が設けられている。各マイクロレンズ26は、エッチング等によりガラス板の表面がレンズ形状に加工されて作製されたものであり、マイクロレンズアレイ27が形成されたガラス板とは異なる屈折率を有する樹脂層28(接着剤)を介して対向基板20に接着されている。マイクロレンズアレイ27は、空間的色光分離光学系6で射出方向が分離された2種類の色光(例えばB光(破線)、G2光(実線))をそれぞれ集光するとともに、空間的に分離した状態で配置された一対のサブ画素29a,29bにそれぞれ入射させる。すなわち、Y方向に並ぶ一対のサブ画素29a,29bに対して1個のマイクロレンズ26が対応するように、マイクロレンズアレイ27が構成されている。そのため、一対のサブ画素29a,29bが並ぶ方向は、空間的色光分離光学系6で色光の射出方向が分離される方向に設定されている。ここで、マイクロレンズ26のY方向の寸法は、一対のサブ画素29a,29bのY方向の寸法の和に略等しく、マイクロレンズ26のZ方向の寸法は、サブ画素29a,29bのZ方向の寸法に略等しくなるように設定されている。また、対向基板20の光入射側およびTFT基板19の光射出側には、それぞれ偏光板16,17が配置されている。
【0036】
液晶ライトバルブ7に入射した4種類の色光は、空間的にも時間的にも各々独立して変調され、外部からの画像情報に基づいて光学像を形成する。すなわち、図4(a)に示すように、第1サブフレーム期間においては、空間的色光分離光学系6によって第1の合成光から分離されたB光とG2光とが液晶ライトバルブ7に同時に入射し、一対のサブ画素のうちの第1のサブ画素29a(図4における左側のサブ画素)にB光が、第2のサブ画素29b(図4における右側のサブ画素)にG2光が各々分かれて入射して変調され、B光とG2光とからなる第1の画像を形成する。同様に、第2サブフレーム期間においては、図4(b)に示すように、第1のサブ画素29aにG1光が、第2のサブ画素29bにR光が各々入射して変調され、G1光とR光とからなる第2の画像を形成する。そして、第1の画像と第2の画像とが1/120秒の1サブフレーム時間毎に交互に形成(表示)される。
【0037】
ここでは、第1サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにB光、第2のサブ画素29bにG2光が入射し、第2サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにG1光、第2のサブ画素29bにR光が入射する例を挙げたが、サブフレームとサブ画素との間での色光の組み合わせはこれ以外にも複数あり、回転カラーフィルター3やダイクロイックミラー13等の分光特性を変えることによって、それらの組み合わせは自在に設定することができる。しかしながら、人間の視感度特性を考慮すると、解像度に対しては緑色光が支配的であるため、同一のサブ画素にG1光、G2光を割り当てた場合には解像度向上効果は生じにくく、本例のように異なるサブ画素にG1光、G2光を割り当てることによって解像度向上効果を十分に得ることができる。
【0038】
さらに、光源2に高圧水銀ランプを用いた場合、高圧水銀ランプは色光の中で緑色光の光量が最も多い傾向にある。そのため、同一のサブフレーム期間にG1光とG2光を割り当て、別のサブフレーム期間にB光とR光を割り当てると、サブフレーム間で光量変動が大きくなり、フリッカー(明るさのちらつき)が発生する恐れがあるため、好ましくない。したがって、フリッカー防止のためには、G1光とG2光とを別々のサブフレーム期間に割り当てることが好ましい。このように、解像度向上とフリッカー防止の観点から、本実施形態では図4に示した組み合わせが最適である。
【0039】
そして、液晶ライトバルブ7で形成された光学像は、投写レンズ8によって不図示のスクリーン上に1/120秒毎に交互に投写表示される。1/120秒毎に交互に投写された画像は、人間の視覚特性を考慮すると、1/120秒の時間単位で分離して視認されることはなく、各画像が積分して視認されるため、4種類の色光によって形成されたカラー画像として認識されることになる。
【0040】
本実施形態のプロジェクタ1においては、カラー表示にB光、G1光、G2光、R光の4原色光を用いることで表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、4原色光を用いながらも液晶ライトバルブが1つで済むため、装置の小型化と低コスト化を実現することができる。
【0041】
また、本実施形態の場合、ダイクロイックミラー13の分光特性として、G2光とR光を反射させるように設定した。光源2に高圧水銀ランプを用いた場合、高圧水銀ランプは、一般に他の色光に比べてR光の強度が最も小さい傾向にある。一方、ダイクロイックミラーは一般に透過光よりも反射光の方が光損失が少ないという特性を有しているため、R光をダイクロイックミラー13で反射させる構成としたことによって、もともと強度が小さいR光の損失が少なくなり、他の色光との間で光強度のバランスを取りやすく、結果的に明るい画像を得ることができる。
【0042】
一方、光源2にキセノンランプやハロゲンランプを用いたとすると、これらのランプは一般にB(青)光やG1(青緑)光の強度が不足しがちな傾向にある。したがって、この場合にはダイクロイックミラー13の分光特性を、図6に示すように、B光、G1光を反射させ、G2光、R光を透過させるように設定すると良い。またこの場合、各色光のサブ画素への割り当ては、図7(a)、(b)に示すように、第1サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにG2光、第2のサブ画素29bにB光が入射し、第2サブフレーム期間で第1のサブ画素29aにR光、第2のサブ画素29bにG1が入射するようにすると良い。このようにすると、上述したように、異なるサブ画素にG1光、G2光が割り当てられるので、解像度向上効果が十分に得られるのと同時に、比較的光強度が大きいG2光とR光とが別のサブフレーム期間に割り当てられるので、フリッカーを抑制して画質劣化を防止することができる。
【0043】
なお、1つの液晶ライトバルブで4原色光による表示を実現するのであれば、本実施形態のような空間的色光分離光学系6を用いず、単に1フレーム期間を4分割して(例えば4つのカラーフィルター領域を有する回転カラーフィルターを用いて)、各色光を独立に変調すればよいという考え方もある。ところが、時分割で変調する色光の数を増やすに従ってサブフレーム時間が短くなる(この例ではサブフレーム時間が1/240秒となる)が、液晶ライトバルブの応答速度に限界があるため、この方法ではサブフレーム時間あたりの階調数を十分に確保することができず、滑らかな階調表現が実現できない、本来存在しないはずの偽輪郭が生じ易くなる、投写画像の明るさが低下する等の画質劣化が生じる、等の課題がある。これに対して、本実施形態の構成であれば、サブフレーム時間を液晶が十分に応答可能な1/120秒(約8.3ミリ秒)としたことで、階調性を伴った光変調を十分に行えるため、明るさの低下を招くことなく滑らかな階調性を実現することができる。
【0044】
[第2の実施の形態]
以下、本発明の第2の実施の形態を図8、図9を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第1実施形態のプロジェクタと同様であり、時間的色光分離手段として、回転カラーフィルターに代えて、偏光状態切替光学系を備えた点が異なっている。
図8は本実施形態のプロジェクタの概略構成図、図9は同プロジェクタで用いる偏光状態切替光学系の構成および作用を示す図、である。なお、図8、図9において、第1実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、その構成要素の詳細な説明は省略する。
【0045】
本実施形態のプロジェクタ31の場合、図8に示すように、光源2から射出された4種類の色光を含む照明光は、リフレクター10で集光され、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5、空間的色光分離光学系6を経て偏光状態切替光学系32(時間的色光分離手段)に入射する構成となっている。空間的色光分離光学系6を構成するダイクロイックミラー13の分光特性は第1実施形態と同様である(図3に示した通り)。ところが、本実施形態では、第1実施形態で用いた回転カラーフィルター3を備えていないため、照明光が空間的色光分離光学系6に入射する時点では4種類の色光が混在したままであり、空間的色光分離光学系6での色光分離の様子が第1実施形態と異なっている。すなわち、空間的色光分離光学系6に入射した光源2からの光は、ダイクロイックミラー13を透過して反射ミラー14で反射するB光とG1光の合成光(以下、第1の合成光と称する)と、ダイクロイックミラー13で反射するG2光とR光の合成光(以下、第2の合成光と称する)とに分離され、射出方向が互いに異なる第1の合成光、第2の合成光として偏光状態切替光学系32に入射する。
【0046】
偏光状態切替光学系32は、図8、図9(a)、(b)に示すように、偏光板33と、波長選択位相差素子34とから構成されている。波長選択位相差素子34は、入射光の偏光状態を任意のタイミングで波長選択的に変換(例えば特定の波長域の光においてP偏光をS偏光に、もしくはS偏光をP偏光に変換)可能な機能を有している(例えば、カラーリンク社から「カラースイッチ」の商品名で市販されている)。特に本実施形態の場合、波長選択位相差素子34には、入射光の偏光状態を1/120秒毎に変換可能なものが用いられる。また、波長選択位相差素子34には特定の偏光を入射させる必要があるため、波長選択位相差素子34の入射側には偏光板33が配置されている。この偏光板33はS偏光を透過し、P偏光を吸収または反射する光学特性を有している。なお、偏光板33に代えて、あるいは偏光板33に加えて非偏光を特定の直線偏光に変換する偏光変換素子が配置されていても良い。なお、図9(a)、(b)において、各色光を示すB,G1,G2,R等の符号の後のカッコ内の添字は、nが非偏光、sがS偏光、pがP偏光をそれぞれ示している。
【0047】
波長選択位相差素子34からは、第1の合成光のうちの一方の色光と第2の合成光のうちの一方の色光の偏光状態が1/120秒毎に変換されて射出される。例えば、各色光が偏光板33によってランダム偏光からS偏光に変換された後、第1サブフレーム期間においては、図9(a)に示すように、第1の合成光のうちのG1光と第2の合成光のうちのR光がS偏光からP偏光に変換される(B光とG2光はS偏光のまま変化しない)。そして、第2サブフレーム期間においては、図9(b)に示すように、第1の合成光のうちのB光と第2の合成光のうちのG2光がS偏光からP偏光に変換される(G1光とR光はS偏光のまま変化しない)。
【0048】
このように、波長選択位相差素子34によって偏光状態が変換された色光を含む第1,第2の合成光は、液晶ライトバルブ7の入射側の偏光板16に入射し、偏光板16の偏光軸との関係により偏光板16を透過する色光と偏光板で吸収(遮光)される色光とに分離される。ここでは、偏光板16は、例えばS偏光を透過し、P偏光を吸収するように光学特性が設定されている。これにより、第1サブフレーム期間には、図9(a)に示すように、第1の合成光のうちのB光と第2の合成光のうちのG2光は偏光板16を透過して液晶パネル15に入射するが、第1の合成光のうちのG1光と第2の合成光のうちのR光は偏光板16で遮光され、液晶パネル15には入射しない。逆に、第2サブフレーム期間には、図9(b)に示すように、第1の合成光のうちのG1光と第2の合成光のうちのR光は偏光板16を透過して液晶パネル15に入射するが、第1の合成光のうちのB光と第2の合成光のうちのG2光は偏光板16で遮光され、液晶パネル15には入射しない。このように、波長選択位相差素子34を用いて色光毎の偏光状態を1/120秒毎に切り替えることによって、液晶ライトバルブ7に入射する色光をサブフレーム期間毎に順次切り替えることができる。
なお、液晶ライトバルブ7に入射した各色光の振る舞いや、サブフレーム期間・サブ画素における色光の組み合わせ配置等については、第1実施形態と同様である。
【0049】
本実施形態のプロジェクタ31においても、表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1実施形態と同様の色光の組み合わせ配置を採用したことで、解像度の向上やフリッカーの抑制が図れる効果も同様である。なお、画像表示に際して照明光として偏光を必要とする液晶パネルを空間光変調素子として使用する場合には、本実施形態のように偏光状態によって液晶パネルに入射する色光を切り替える形態を採用すれば、光利用効率を高め易く投写画像の明るさを向上させ易い。
【0050】
[第3の実施の形態]
以下、本発明の第3の実施の形態を図10、図11を参照して説明する。
第1,第2実施形態では、光源に高圧水銀ランプ等の可視全域にわたって発光スペクトルを有する光源、いわゆる白色光源を用いたのに対し、本実施形態のプロジェクタでは、白色光源に代えて、LED光源等からなる、いわゆる単色光源を用いた点が異なっている。
図10は本実施形態のプロジェクタの概略構成図、図11は同プロジェクタで用いるダイクロイックミラーの分光特性を示す図、である。なお、図10において、第1実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、その構成要素の詳細な説明は省略する。
【0051】
本実施形態のプロジェクタ41は、図10に示すように、光源部42、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5、空間的色光分離光学系6、液晶ライトバルブ7、投写レンズ8から概略構成されている。光源部42は、波長域が各々異なる単色光を発光可能な4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rと、各LED光源からの色光を合成する3つのダイクロイックミラー44a,44b,44cとを有している。4つのLED光源は、B光を発光するB−LED光源43B(第1の光源)、G1光を発光するG1−LED光源43G1(第3の光源)、G2光を発光するG2−LED光源43G2(第2の光源)、R光を発光するR−LED光源43R(第4の光源)である。各色光の波長域は第1実施形態と共通とする。なお、光源としては、単色光を発光可能な光源であれば、LED光源の他、レーザ光源、EL光源等を用いることも可能である。
【0052】
さらに、B−LED光源43BとG1−LED光源43G1からそれぞれ発光されるB光とG1光との光路が交わる位置に第1のダイクロイックミラー44aが配置され、G2−LED光源43G2とR−LED光源43Rからそれぞれ発光されるG2光とR光との光路が交わる位置に第2のダイクロイックミラー44bが配置され、B−LED光源43BとR−LED光源43Rからそれぞれ発光されるB光とR光との光路が交わる位置に第3のダイクロイックミラー44cが配置されている。
【0053】
各ダイクロイックミラー44a,44b,44cの分光特性は図11に示す通りであり、第1のダイクロイックミラー44aは、図11(a)に示すように、B光を透過させ、少なくともG1光を反射させる分光特性を有している。第2のダイクロイックミラー44bは、図11(b)に示すように、R光を透過させ、少なくともG2光を反射させる分光特性を有している。第3のダイクロイックミラー44cは、図11(c)に示すように、B光、G1光を透過させ、G2光、R光を反射させる分光特性を有している。このような分光特性を有する第1〜第3のダイクロイックミラー44a,44b,44cによって、4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rから射出された各色光は、一つの光路となるように合成される。
【0054】
カラー画像を表示する場合、一般的に青色光、緑色光、赤色光の光量比は概ね1:6:3に設定されるように、他の色光に比べて緑色光の光量は多く必要である。そのため、発光波長域が異なる複数の光源を用いた場合には、光源間での発光効率が略同等であれば、緑色光を発する光源(本実施形態ではG1−LED光源43G1、G2−LED光源43G2)の光量を多く設定する必要がある。したがって、本実施形態ではG1−LED光源43G1あるいはG2−LED光源43G2からの色光を各ダイクロイックミラー44a,44b,44cで反射する形態で他の色光と合成している。これにより、G1−LED光源43G1あるいはG2−LED光源43G2からの色光のダイクロイックミラーにおける反射効率を高められるため、他の色光との間で光強度のバランスを取りやすく、結果的に明るい画像が得られる。なお、光源間での発光効率の差が大きい場合には、ダイクロイックミラーで反射する色光は緑色光に限定されず、ダイクロイックミラーにおける光損失を考慮して、光損失を最小限に留めつつ他の色光との間で光強度のバランスを取りやすいように、各ダイクロイックミラーに対する単色光源からの色光の配置形態を設定することが望ましい。
【0055】
ここで、4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rの全てが同時に発光するのではなく、発光するLED光源が(1サブフレーム時間に対応する)1/120秒毎に切り替わるとともに、発光するLED光源の組み合わせも変化する。すなわち、各LED光源は、時間的に連続して発光するのではなく、長くとも1/120秒間発光した後、少なくとも1/120秒間発光しないという具合に間欠的に点灯する。例えば、第1サブフレーム期間では、B−LED光源43BとG2−LED光源43G2が同時に発光してB光とG2光とを含む合成光が生成され、第2サブフレーム期間では、G1−LED光源43G1とR−LED光源43Rが同時に発光してG1光とR光とを含む合成光が生成される。そして、上記の各合成光は、ロッドインテグレータ4、リレーレンズ系5を経て、空間的色光分離光学系6に入射する。また、空間的色光分離光学系6を構成するダイクロイックミラー13の分光特性は第1実施形態と同様である(図3に示した通り)。
【0056】
そして、空間的色光分離光学系6に入射した各合成光は、射出方向が互いに異なるB光とG2光に、また、G1光とR光に各々分離されて射出され、液晶ライトバルブ7に入射する。以下、液晶ライトバルブ7に入射した後の各色光の振る舞いや、サブフレーム期間・サブ画素における色光の組み合わせ配置については、第1実施形態と同様である。
【0057】
本実施形態のプロジェクタ41においても、表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった第1、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1、第2実施形態と同様の色光の組み合わせ配置を採用したことで、解像度の向上やフリッカーの抑制が図れる点も同様である。
【0058】
さらに本実施形態特有の作用、効果として、4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rを2つずつ交互に発光させるだけで2種類の合成光をサブフレーム期間毎に交互に生成できる点が挙げられる。そのため、第1,第2実施形態で用いた回転カラーフィルターや波長選択位相差素子等の時間的色光分離光学系が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。また、発光波長が各々異なる4つのLED光源43B,43G1,43G2,43Rを用いているため、サブフレーム期間毎の色光の組み合わせを自在に設定することができる。これにより、途中に介在する空間的色光分離光学系6のダイクロイックミラー13を作製が比較的容易な分光特性に設定できるため、空間的色光分離光学系6の高性能化や低コスト化を実現し易いという効果が得られる。また、発光波長に応じた複数のLED光源43B,43G1,43G2,43Rを用いていることから、それらの光源を常時発光させる必要がなく、間欠的に発光させれば良いため、発光輝度を高め易く、明るい投写表示を実現することができる。
【0059】
[第4の実施の形態]
以下、本発明の第4の実施の形態を図12を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタは、LED光源等からなる単色光源を用いた点は第3実施形態と同様であるが、空間的色光分離光学系を用いない構成にした点が第3実施形態と異なっている。
図12は本実施形態のプロジェクタの概略構成図である。なお、図12において、第1実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、その構成要素の詳細な説明は省略する。
【0060】
本実施形態のプロジェクタ51は、図12に示すように、LED光源43B,43G1,43G2,43Rとダイクロイックミラー44a,44bとロッドインテグレータ4とを含む2組の光源部42A,42B、リレーレンズ系5、液晶ライトバルブ7、投写レンズ8から概略構成されている。各光源部42A,42Bは、波長域が各々異なる単色光を発光可能な2つのLED光源43B,43G1(43G2,43R)と、2つのLED光源からの色光を合成する1つのダイクロイックミラー44a(44b)と、1つのロッドインテグレータ4とを有している。各光源部の2つのLED光源は異なるサブフレーム期間に発光するLED光源であって、第1の光源部42AはB−LED光源43B(第1の光源)とG1−LED光源43G1(第3の光源)を含み、第2の光源部42BはG2−LED光源43G2(第2の光源)とR−LED光源43R(第4の光源)を含んでいる。各色光の波長域や、LED光源以外にレーザ光源、EL光源等を用いることができる点は第3実施形態と同様である。また、2つのダイクロイックミラー44a,44bの分光特性は第3実施形態と同様である(図11に示した通り)。
【0061】
さらに、第1の光源部42Aにおいて、B−LED光源43BとG1−LED光源43G1からそれぞれ発光されるB光とG1光との光路が交わる位置に第1のダイクロイックミラー44aが配置されている。同様に、第2の光源部42Bにおいて、G2−LED光源43G2とR−LED光源43Rからそれぞれ発光されるG2光とR光との光路が交わる位置に第2のダイクロイックミラー44bが配置されている。これらダイクロイックミラー44a,44bにより、B光とG1光の光路が一つの光路となるように、また、G2光とR光の光路が一つの光路となるように合成される。
【0062】
ここで、発光するLED光源が1/120秒毎に切り替わり、例えば、第1サブフレーム期間では、B−LED光源43BとG2−LED光源43G2が同時に発光し、第2サブフレーム期間では、G1−LED光源43G1とR−LED光源43Rが同時に発光する。そして、これら色光はそれぞれロッドインテグレータ4に入射する。ここで、各ロッドインテグレータ4毎に設定された2つの合成光の光路が互いに非平行な状態となるように、第1,第2の光源部42A,42Bが扇状に配置されている。本実施形態では、リレーレンズ5bに近い側(+Y側)で2本の光路の間隔が狭く、リレーレンズ5bから遠い側(−Y側)では2本の光路の間隔が拡がっている。したがって、同時に射出された2種類の色光は、互いにわずかに異なる角度で液晶ライトバルブ7の隣接する2つのサブ画素に入射する。なお、各光源部42A,42Bの2本の光路の交角(両者の非平行な配置関係)は、液晶ライトバルブ7において1つのマイクロレンズに対応する2つのサブ画素がなる配置関係に応じて設定される。液晶ライトバルブ7に入射した各色光の振る舞いや、サブフレーム期間・サブ画素における色光の組み合わせ配置については、第1実施形態と同様である。
【0063】
本実施形態のプロジェクタ51においても、表示可能な色域の拡大を実現できるとともに、装置の小型化と低コスト化を実現できる、といった上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態の場合、2組の光源部42A,42Bを互いに非平行な状態に配置しただけで各光源部42A,42Bからの光を液晶ライトバルブ7の2つのサブ画素に入射させることができるため、第3実施形態で用いた空間的色光分離光学系が不要となり、更なる装置の小型化と低コスト化を図ることができる。また、上記の実施形態と同様の色光の組み合わせ配置を採用したことで、解像度の向上やフリッカーの抑制が図れる点も同様である。
【0064】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、光源と空間的色光分離手段との間に、光源から射出される非偏光な光を液晶ライトバルブの入射側偏光板に合わせた偏光に変換する偏光変換素子を備えても良い。これにより、光の利用効率を高めることができる。さらに、空間的色光分離光学系のダイクロイックミラーでは、一般にP偏光よりもS偏光の方が反射率が高いため、非偏光な光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えることによって、光利用効率をより向上させることができる。
【0065】
また、上記実施形態では、4種類の色光をB光、G1光、G2光、R光と想定したが、必ずしもこれら4色に限るものではなく、アプリケーションによって様々な組み合わせが考えられる。表示可能な色域の拡大という観点では上記実施形態で例示したB光、G1光、G2光、R光の組み合わせが好ましいが、例えば肌色の表現力を向上させ易いとの観点ではB光、G光、Or(橙色)光、R光の組み合わせが、また、医用画像の表現力を向上させ易いとの観点ではB光、G光、R1光(短波長よりの赤色光)、R2光(長波長よりの赤色光)の組み合わせが好ましいという具合である。
【0066】
また、上記実施形態で例示した各種の構成の詳細部分は上記の例に限るものではなく、適宜変更が可能である。例えば、光源の射出側に配置する光強度均一化手段としてロッドインテグレータに代えて、レンズアレイ方式のインテグレータを用いても良い。そして、空間光変調素子としては透過型の液晶ライトバルブのみならず、例えばLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等に代表される反射型の液晶ライトバルブを本発明に適用することも可能である。さらに、プロジェクタのみならず、バックライトを光源部とした直視型の液晶ディスプレイに本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】本発明の第1実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【図2】同、プロジェクタの回転カラーフィルターの分光特性を示す図である。
【図3】同、プロジェクタのダイクロイックミラーの分光特性を示す図である。
【図4】同、プロジェクタの液晶パネルの画素構成を示す図である。
【図5】同、液晶ライトバルブの断面図である。
【図6】同、ダイクロイックミラーの分光特性の他の例を示す図である。
【図7】同、液晶パネルの画素構成の他の例を示す図である。
【図8】本発明の第2実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【図9】同、プロジェクタの偏光状態切替光学系の構成と作用を示す図である。
【図10】本発明の第3実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【図11】同、プロジェクタのダイクロイックミラーの分光特性を示す図である。
【図12】本発明の第4実施形態のプロジェクタの概略構成図である。
【符号の説明】
【0068】
1,31,41,51…プロジェクタ、2…光源、3…回転カラーフィルター(時間的色光分離手段)、6…空間的色光分離光学系(空間的色光分離手段)、7…液晶ライトバルブ(空間光変調素子)、8…投写レンズ(投写手段)、13,44a,44b,44c,44d…ダイクロイックミラー、14…反射ミラー、29a,29b…サブ画素、32…偏光状態切替光学系(時間的色光分離手段)、33…偏光板、34…波長選択位相差素子、42,42A,42B…光源部、43B,43G1,43G2,43R…LED光源。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、
前記4種類の色光を含む照明光を波長域によって時間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する時間的色光分離手段と、
前記第1の照明光、前記第2の照明光のそれぞれに含まれる色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項2】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、
前記4種類の色光を含む照明光を空間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とを生成する空間的色光分離手段と、
第1のサブフレーム期間において、前記4種類の色光のうち、前記第1の色光と前記第3の色光とを第1の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを第2の偏光状態に変換し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間において、前記第1の色光と前記第3の色光とを前記第2の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを前記第1の偏光状態に変換し、前記第1の偏光状態、前記第2の偏光状態のいずれか一方の色光を選択的に透過させ、前記第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第3の色光とを生成し、前記第2のサブフレーム期間に前記第2の色光と前記第4の色光とを生成する時間的色光分離手段と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第3の色光、もしくは前記第2の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項3】
前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光であり、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射されることを特徴とする請求項1または2に記載の表示装置。
【請求項4】
前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、時間的に隣接する2つのサブフレーム期間のそれぞれに生成されることを特徴とする請求項3に記載の表示装置。
【請求項5】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する光源部と、
前記第1の照明光および前記第2の照明光のそれぞれに含まれる2種類の色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項6】
前記空間的色光分離手段が、少なくとも一方が波長選択反射面である2つの反射面を入射光に対する入射角が異なるように配置した反射素子を含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項7】
前記反射素子の前記波長選択反射面で反射する色光が、前記光源から射出される色光のうちで光強度が最も小さい色光であることを特徴とする請求項6に記載の表示装置。
【請求項8】
前記光源と前記空間的色光分離手段との間に、前記光源から射出される非偏光の光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えたことを特徴とする請求項6または7に記載の表示装置。
【請求項9】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成するとともに、前記第1の色光と前記第2の色光とを空間的に離れた位置に射出可能、かつ、前記第3の色光と前記第4の色光とを空間的に離れた位置に射出可能な光源部と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項10】
前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光であり、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射されることを特徴とする請求項5ないし9のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項11】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源部と、
複数のサブ画素を有してなり、第1のサブフレーム期間に隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射する第1の色光と第2の色光、および前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記2つのサブ画素にそれぞれ入射する第3の色光と第4の色光を独立して変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項12】
請求項1ないし11のいずれか一項に記載の表示装置と、前記表示装置によって得られた光学像を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
【請求項1】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、
前記4種類の色光を含む照明光を波長域によって時間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する時間的色光分離手段と、
前記第1の照明光、前記第2の照明光のそれぞれに含まれる色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項2】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源と、
前記4種類の色光を含む照明光を空間的に分離して、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とを生成する空間的色光分離手段と、
第1のサブフレーム期間において、前記4種類の色光のうち、前記第1の色光と前記第3の色光とを第1の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを第2の偏光状態に変換し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間において、前記第1の色光と前記第3の色光とを前記第2の偏光状態に変換するとともに、前記第2の色光と前記第4の色光とを前記第1の偏光状態に変換し、前記第1の偏光状態、前記第2の偏光状態のいずれか一方の色光を選択的に透過させ、前記第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第3の色光とを生成し、前記第2のサブフレーム期間に前記第2の色光と前記第4の色光とを生成する時間的色光分離手段と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第3の色光、もしくは前記第2の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項3】
前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光であり、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射されることを特徴とする請求項1または2に記載の表示装置。
【請求項4】
前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、時間的に隣接する2つのサブフレーム期間のそれぞれに生成されることを特徴とする請求項3に記載の表示装置。
【請求項5】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成する光源部と、
前記第1の照明光および前記第2の照明光のそれぞれに含まれる2種類の色光を空間的に分離して、第1のサブフレーム期間に前記第1の色光と前記第2の色光とを生成し、前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記第3の色光と前記第4の色光とを生成する空間的色光分離手段と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項6】
前記空間的色光分離手段が、少なくとも一方が波長選択反射面である2つの反射面を入射光に対する入射角が異なるように配置した反射素子を含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項7】
前記反射素子の前記波長選択反射面で反射する色光が、前記光源から射出される色光のうちで光強度が最も小さい色光であることを特徴とする請求項6に記載の表示装置。
【請求項8】
前記光源と前記空間的色光分離手段との間に、前記光源から射出される非偏光の光をS偏光に変換する偏光変換素子を備えたことを特徴とする請求項6または7に記載の表示装置。
【請求項9】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光をそれぞれ発光可能な複数の光源を有してなり、前記4種類の色光のうちのいずれか2種類の色光をそれぞれ発光可能な第1の光源および第2の光源と、前記2種類の色光と異なる2種類の色光をそれぞれ発光可能な第3の光源および第4の光源とを交互に発光させ、第1の色光と第2の色光とを含む第1の照明光と、第3の色光と第4の色光とを含む第2の照明光とをサブフレーム期間毎に交互に生成するとともに、前記第1の色光と前記第2の色光とを空間的に離れた位置に射出可能、かつ、前記第3の色光と前記第4の色光とを空間的に離れた位置に射出可能な光源部と、
複数のサブ画素を有してなり、隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射する前記第1の色光と前記第2の色光、もしくは前記第3の色光と前記第4の色光を独立してサブフレーム期間毎に変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項10】
前記4種類の色光が青色光、第1の緑色光、第2の緑色光、赤色光であり、前記第1の緑色光と前記第2の緑色光とが、前記空間光変調素子の隣接配置された2つのサブ画素にそれぞれ入射されることを特徴とする請求項5ないし9のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項11】
照明光を1つの空間光変調素子によって変調して光学像を形成し、前記光学像を表示する表示装置であって、
可視域の中で波長域の異なる4種類の色光を含む照明光を射出する光源部と、
複数のサブ画素を有してなり、第1のサブフレーム期間に隣接する2つのサブ画素にそれぞれ入射する第1の色光と第2の色光、および前記第1のサブフレーム期間と時間的に隣接する第2のサブフレーム期間に前記2つのサブ画素にそれぞれ入射する第3の色光と第4の色光を独立して変調可能な空間光変調素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項12】
請求項1ないし11のいずれか一項に記載の表示装置と、前記表示装置によって得られた光学像を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
【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2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2008−65250(P2008−65250A)
【公開日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−245758(P2006−245758)
【出願日】平成18年9月11日(2006.9.11)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年3月21日(2008.3.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年9月11日(2006.9.11)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]