JP2006330328A - サブディスプレイ付きの投射型画像表示装置、リアプロジェクションテレビおよびデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】投射型画像表示装置において、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で損失される光を有効利用して、簡易な構成で他の機能としてサブディスプレイを付加する。
【解決手段】光源を含む照明光学系と、偏光ビームスプリッタと、反射型ライトバルブと、投射光学系を有する投射型画像表示装置において、偏光ビームスプリッタは、照明光学系から入射された光を分離し、S偏光を出射する「S偏光出射面」と、P偏光を出射する「P偏光出射面」を有し、「S偏光出射面」あるいは「P偏光出射面」のうち一方の面の近傍に反射型ライトバルブを、もう片方の面の近傍にサブディスプレイを構成する透過型ライトバルブを配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタやリアプロジェクションテレビなどのカラー画像表示装置に用いられる投射型画像表示装置等に関する。

企業活動のデジタル化が進んでいることと、ホームシアターが活況であることが相俟って、プロジェクタ市場は成長の一途をたどっている。

プロジェクタ用ライトバルブは、現在、液晶を利用した透過型液晶ライトバルブと、反射型ミラーを利用したＤＭＤが主流である。しかし、最近になって反射型液晶を利用した反射型液晶ライトバルブのプロジェクタが実用化され、その高い性能から透過型液晶ライトバルブとＤＭＤの二大勢力に割り込む勢いであり、デバイスの開発が活発に進められている。

この反射型液晶ライトバルブの特徴は、(1)高速応答、(2)高コントラスト、(3)大開口率（画素間隔が狭い）などであり、データプロジェクタやホームプロジェクタ、あるいはリアプロジェクションテレビとして、その特徴を活かした高画質な画像表示への期待が高まっている。

反射型液晶プロジェクタの一般的な構成を図５に示す。光源１からの照明光を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２に入射し、互いに直交する二つの直線偏光成分（S偏光・P偏光）に分離させ、反射型液晶ライトバルブ（ＬＣＯＳ）４に所定の偏光方向、例えばS偏光の照明光を入射する。反射型液晶ライトバルブ４の液晶層で変調された照明光は情報光として反射され、これを投射レンズ等の投射光学系５でスクリーン６に投射する。

反射型ライトバルブ４は図６の側断面図（模式図）にしめす如き構成のものであり、画素電極４１がマトリクス状に形成されるとともに駆動回路（図示なし）から情報信号が入力される画素電極基板４２と、透明電極４３を形成した透明基板４４をスペーサ４５を介して対向配置し、その間に液晶４６が封入されている。これら二つの基板それぞれの表面には液晶を所定の方向に配向するための配向膜４７，４７が形成されている。

反射型液晶プロジェクタにおいても、透過型液晶プロジェクタと同様に、光源からの照明光は効率良く、ライトバルブ上での照度ムラが少ないように導光される。例えば〔特許文献１〕の示されているような、リレーレンズやインテグレータを用いるような方法がある（特許文献１；“図１”や“図７”参照）。

また、前述したような偏光ビームスプリッタを透過する偏光（ここではP偏光）を有効利用する方法として、例えば〔特許文献２〕の開示技術のように反射型ライトバルブをもう一枚設置する方法がある。このような方法を用いることでスクリーン照度を上げることができるが、二つのライトバルブの像をスクリーンで重ね合わせるため、ライトバルブの設置には高い精度が必要となる。

本出願人が先に出願した文献として〔特許文献３〕があるが、これは前述したように一つの偏光ビームスプリッタに対して、複数のライトバルブを用いることで光の利用効率を上げるものである。ちなみに、同様に光の利用効率をあげる、本願発明とは光の利用方法・用途が異なる。

照明光学系として、例えば〔特許文献４〕に示されるように、光源の白色光を三色のライトバンドに分割して、ライトバルブを照明する方式があるが、本願発明ではこの照明方式を照明光学系にそのまま取り入れても問題無い。

また、〔特許文献５〕に示されるように、投射光学系を共有することで、デジタルカメラとプロジェクタを一体にしようとするものが知られている。

特開２００１−２１５４４８号公報 特開２００１−１７４７７５号公報 特開２００２−１６９２２１号公報 特許第３３５２１００号公報 特開２００２−１７１４２８号公報

従来の多くの反射型液晶プロジェクタにおいては、図５に示すように、光源から偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に入射した光は、S偏光のみが利用され、P偏光は不要光として利用されない。つまり50％の光がここで損失されていることになる。
〔特許文献２〕の開示技術のように反射型ライトバルブをもう一枚設置するようにしたものがあるが、主目的である画像投影のために用いられている。また、大型で高価なプロジェクタ以外では実用的といい難い。
したがって、本発明は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で損失される光を有効利用して、簡易な構成で他の機能としてサブディスプレイを付加することを目的としたものである。

請求項１の発明は、光源を含む照明光学系と、偏光ビームスプリッタと、反射型ライトバルブと、投射光学系を有する投射型画像表示装置において、
偏光ビームスプリッタは、照明光学系から入射された光を分離し、S偏光を出射する「S偏光出射面」と、P偏光を出射する「P偏光出射面」を有し、「S偏光出射面」あるいは「P偏光出射面」のうち一方の面の近傍に反射型ライトバルブが、もう片方の面の近傍にサブディスプレイを構成する透過型ライトバルブが配置されたことを特徴とするものである。透過型ライトバルブを設置してサブディスプレイとしているので、光源を有効に活用できる。

前記反射型ライトバルブによって変調された光は、前記投射光学系によって投射されるようにする。また、前記透過型ライトバルブはS偏光あるいはP偏光によって照明され、直視型ディスプレイとして作用するようにする。この時、偏光ビームスプリッタと透過型ライトバルブの間、あるいは透過型ライトバルブの表示面側に、色フィルタあるいは減光フィルタを配置しても良い。透過型ライトバルブには、強誘電性液晶を用いた透過型ライトバルブを採用するのも良い。

また、照明光学系は、白色光を発光する光源ランプと、リフレクタと、インテグレータロッドと、カラーホイールを有する構成のものを用いることができる。あるいは、種々の色のライトバンドを同時に供給する照明系と、反射型ライトバルブおよび透過型ライトバルブの表面にわたり当該種々の色のライトバンドを移動させて種々の色全部に係る部分を反射型ライトバルブおよび透過型ライトバルブに同時に存在させる光学系を有する構成としても良い。さらには、照明光学系は、発光ダイオードによる光源と、リレーレンズ光学系を有するもので良く、赤緑青のそれぞれ異なる発光色を有する発光ダイオードを光源とし、反射型ライトバルブあるいは透過型ライトバルブによって表示される画像は、赤、緑、青の時分割照明によるカラー画像とすることも考えられる。

上記のいずれかの投射型画像表示装置を用いて、サブディスプレイ付きのリアプロジェクションテレビあるいはサブディスプレイ付きのデジタルカメラが構成できる。

照明系と偏光ビームスプリッタに対する、反射型ライトバルブ及び透過型ライトバルブの位置関係をマッチングさせることで、通常不要とされる光を利用したサブディスプレイを投射型画像表示装置に付加することができる。これを用いてリアプロジェクションテレビやデジタルカメラとして構成することもできる。

投射型画像表示装置においては、先の図５に示すＳ偏光とＰ偏光は、ビームスプリッタの偏光板で反射するか透過するかの違いこそあれ、ビームスプリッタから出射された後のＳ偏光の「S偏光出射面」に対する振る舞いと、Ｐ偏光の「P偏光出射面」に対する振る舞いは同じである。したがって、透過型液晶ライトバルブを「P偏光出射面」に対して、「S偏光出射面」に対する反射型ライトバルブの位置と略同じ位置に配置すると、透過型液晶ライトバルブはP偏光で一様に照明することができる。

ただし、プロジェクタの照明光は透過型液晶のバックライトとして使用するには非常に明るく、直視することができない。このため、〔特許文献１〕の“図５”や“図７”のように偏光ビームスプリッタに入射する前に、偏光変換素子によって照明光をかなりの割合で片方の偏光方向に揃え、透過型液晶に導光される成分をごく弱くしたり、透過型液晶の前または後ろ側にＮＤフィルタを配置するなどして光量を減らす必要がある。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の実施の形態について、図面に従って詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態であるサブディスプレイ付き投射型画像表示装置の要部を示す模式図である。

投射型画像表示装置１００は、光源１と、光源１からの光が入射される偏光ビームスプリッタ２と、偏光ビームスプリッタ２のS偏光を出射する「S偏光出射面」の近傍に配置された反射型ライトバルブ４と、偏光ビームスプリッタ２のP偏光を出射する「P偏光出射面」の近傍に配置されてサブディスプレイとなる透過型ライトバルブ７、および反射型ライトバルブ４用に対応させた投射光学系５を含み構成されている。投射光学系５からの画像はスクリーン６に投射される。その他、周知の部分については図示を省略してある。
図１では、光源ランプ１ａからの照明光は、リフレクタ１ｂによって偏光ビームスプリッタ２に入射される。偏光ビームスプリッタ２の偏光板３によって照明光はS偏光とP偏光に分離され、S偏光は反射し、反射型ライトバルブ４に導かれ、P偏光は透過し、透過型ライトバルブ７に導かれる。この時、照明光のS偏光成分によって、反射型ライトバルブ４の全面を照明させる。透過型ライトバルブ７の「P偏光出射面」に対する位置関係は、反射型ライトバルブの「S偏光出射面」に対する位置関係と等しく配置されていることから、透過型ライトバルブ７もP偏光によって全面照明される。

従来の投射型画像表示装置と同様に、反射型ライトバルブ４に導光された光は、適宜変調され、P偏光に変調された光は偏光ビームスプリッタ２を透過し、投射光学系５によってスクリーン６に投射される。

一方、透過型ライトバルブ３は、直線偏光で照明される。直線偏光はバックライトとして利用しやすい状態にあり、非常に明るい表示を行うことができる。ただし、明るすぎて直視しにくい場合には、透過型ライトバルブ３の前または後に（両方でも可）ＮＤフィルタを挿入し、減光するのが好適である。

なお、光源１として簡略化して一例を示したが、適宜レンズを組み合わせる等した適宜の既知の照明光学系を用いるようにしてもかまわない。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の模式図を図２に示す。図２の投射型画像表示装置１００は、前実施の形態と比べて投射光学系のみが異なっている。第１実施形態と同一部分には同一符号を付してある。本実施の形態では、光源１からの光は一度カラーホイール８上に集光され、色光に変換された後、リレーレンズ（系）９を介して偏光ビームスプリッタ２に入射し、各ライトバルブ４、７に導かれる。カラーホイール８は実質的には、正面方向から見ると図３のようなカラーフィルタ８ａであり、これが回転することで、光源１から出射する白色光を一定周期で順次ＲＧＢの色光に変換する。

透過型・反射型ライトバルブ４、７はともにカラーホイール８の回転と同期しており、上記照明光学系からの色光に合わせた色情報がそれぞれにライトバルブに順次に書き込まれる。これによって、スクリーン６あるいはサブディスプレイ（透過型ライトバルブ）７には時分割で色画像が表示され、これが高速で表示されるために、人間の目には一種の残像現象でカラー表示されて見える。

このようなカラー表示方法はフィールドシーケンシャルと呼ばれるが、透過型ライトバルブでは一般にはフィールドシーケンシャルを行うのは難しい（強誘電性液晶であれば容易である）。このため、サブディスプレイが単色表示で構わない場合には、混色を避けるために透過型ライトバルブ近傍に色フィルタを設置し、単色表示させるのが好ましい。なお、照明光の変調・投射に関しては第１実施形態との違いは無く説明は省略する。

〔第３実施形態〕
第３実施形態の模式図を図４に示す。第３実施形態の投射光学系は光源にＲＧＢ各色それぞれのＬＥＤ（ＲＬＥＤ：１０ａ，ＧＬＥＤ：１０ｂ，ＢＬＥＤ：１０ｃ）を用いクロスプリズム１１を組み合わせたものである。ＲＧＢ各色のＬＥＤから出射された照明光は、クロスプリズム１１とリレーレンズ系９を介して偏光ビームスプリッタ２に入射し、ライトバルブ４、７に導かれた照明光は順次変調される。

クロスプリズム１１は、複数のダイクロイックプリズムを接合して作られた物であり、クロスダイクロイックプリズムとも呼ばれる。クロスプリズム１１に入射した色光は、各々対応する波長成分を反射する面で反射され、図４のように、クロスプリズム１１の一面１１ｄから出射される。

第３実施形態はＲＧＢのＬＥＤを用いることによって、第２実施形態と同様にフィールドシーケンシャルカラー表示を行うものである。ＲＧＢのＬＥＤを順番に高速で点灯させることで、ライトバルブ４、７を三色で順次照明する。ＬＥＤの時分割色照明と、ライトバルブ４、７に書き込ませる色情報を同期させることで、カラー表示を行うことができる。

なお、各実施の形態では、投射型画像表示装置について説明したが、このような投射型画像表示装置を用いたリアプロジェクションテレビに対しても本発明が適用できる。また、また、デジタルカメラと一体化することで、〔特許文献５〕に示されたような用途を持ったシステムに組み込むことも可能であり、この場合サブディスプレイはデジタルカメラ用ディスプレイとしても利用することができる。デジタルカメラとして適用できる。

以上説明したように、本発明によれば、照明系と偏光ビームスプリッタに対する、反射型ライトバルブ及び透過型ライトバルブの位置関係をマッチングさせることで、通常不要とされる光を利用したサブディスプレイを投射型画像表示装置（プロジェクタ）等に付与することができる。

本発明は、μm単位での設置精度を必要とせず、安価で安定した性能を維持できるので、小型で安価なモバイルプロジェクタに対して適用でき、透過型ライトバルブを設置してサブディスプレイとして、光源を有効に活用でき好適である。

本発明の第１の実施形態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態を示す模式図である。 カラーホイール（カラーフィルタ）の正面方向から見た図である。 本発明の第３の実施形態を示す模式図である。 本発明に係る反射型液晶プロジェクタの一般的な構成を示す構成図である。 本発明に係る反射型ライトバルブの構成を示す側断面図である。

符号の説明

１…光源（照明光学系）
２…偏光ビームスプリッタ
４…反射型ライトバルブ
５…投射光学系
６…スクリーン
７…透過型ライトバルブ（サブディスプレイ）
８…カラーホイール
８ａ…カラーフィルタ
９…リレーレンズ（系）
１０ａ…ＲＬＥＤ
１０ｂ…ＧＬＥＤ
１０ｃ…ＢＬＥＤ
１１…クロスプリズム
１００…投射型画像表示装置

Claims (13)

1. 光源を含む照明光学系と、偏光ビームスプリッタと、反射型ライトバルブと、投射光学系を有する投射型画像表示装置において、
   偏光ビームスプリッタは、照明光学系から入射された光を分離し、S偏光を出射する「S偏光出射面」と、P偏光を出射する「P偏光出射面」を有し、「S偏光出射面」あるいは「P偏光出射面」のうち一方の面の近傍に反射型ライトバルブが、もう片方の面の近傍にサブディスプレイを構成する透過型ライトバルブが配置されたことを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
2. 請求項１に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、前記反射型ライトバルブによって変調された光は、前記投射光学系によって投射されることを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
3. 請求項１に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、前記透過型ライトバルブはS偏光あるいはP偏光によって照明され、直視型ディスプレイとして作用することを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
4. 請求項３に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、偏光ビームスプリッタと透過型ライトバルブの間、あるいは透過型ライトバルブの表示面側に、色フィルタが配置されることを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
5. 請求項３に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、偏光ビームスプリッタと透過型ライトバルブの間、あるいは透過型ライトバルブの表示面側に、減光フィルタが配置されることを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
6. 請求項１に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、透過型ライトバルブは、強誘電性液晶を用いた透過型ライトバルブであることを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、照明光学系は、白色光を発光する光源ランプと、リフレクタと、インテグレータロッドと、カラーホイールを有することを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、種々の色のライトバンドを同時に供給する照明系と、反射型ライトバルブおよび透過型ライトバルブの表面にわたり当該種々の色のライトバンドを移動させて種々の色全部に係る部分を反射型ライトバルブおよび透過型ライトバルブに同時に存在させる光学系を有することを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
9. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、照明光学系は、発光ダイオードによる光源と、リレーレンズ光学系を有することを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
10. 請求項９に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、光源は、赤緑青のそれぞれ異なる発光色を有する発光ダイオードからなることを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
11. 請求項１０に記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置において、反射型ライトバルブあるいは透過型ライトバルブによって表示される画像は、赤、緑、青の時分割照明によるカラー画像であることを特徴とするサブディスプレイ付き投射型画像表示装置。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置を有することを特徴とするリアプロジェクションテレビ。
13. 請求項１から１１のいずれかに記載のサブディスプレイ付き投射型画像表示装置を有することを特徴とするデジタルカメラ。
    

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