JP2008058869A - プロジェクタおよび背面投射型ディスプレイ，透過型スクリーン - Google Patents

Abstract

【課題】透過型スクリーンの薄型化による軽量化，低コスト化を図りながらも、ＬＣＤやＤＬＰを用いたプロジェクタを用いた背面投射型ディスプレイ装置においても、映像のシンチレーションを防止することが可能なプロジェクタの提供。
【解決手段】光源と、光源からの光を変調する光変調素子と、光変調素子によって変調された映像光をスクリーン上に投射する投射光学系を有するプロジェクタにおいて、光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が静止状態にあることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、プロジェクタおよび背面投射型ディスプレイ装置に関するものである。

透過型スクリーンを備えた背面投射型ディスプレイ装置として、リアプロジェクションテレビが知られている。
図１は、リアプロジェクションテレビの側面断面図である。リアプロジェクションテレビは、光源としてのプロジェクタ１２から映像光を投射し、反射鏡１３，１４により反射させて、略長方形平板状をなす透過型スクリーン２０の背面に映像光を入射させるものである。

図４は、透過型スクリーンの平面断面図である。透過型スクリーン２０は、映像光を略平行光に変換するフレネルレンズ３０が光源側に配置され、映像光を単位レンズごとに発散させるレンチキュラーレンズアレイ（散乱レンズアレイ）４０が観察者側に配置されて構成されている。
これにより、透過型スクリーンの正面に位置する観察者が、透過した映像光を観察しうるようになっている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２００２−２３６３１９号公報 米国特許第６３０７６７５号明細書 特許第３００２４７７号公報 実開平１−１１７６３４号公報

近時では、透過型スクリーン２０の薄型化が要求されている。
これにより、透過型スクリーン２０を軽量化しなおかつ低コスト化することが可能になり、しかも透過型スクリーン２０の解像度および鮮鋭度を向上させることができるからである。
尚、特許文献３および４では、フレネルレンズのフィルム化が検討されている。

しかしながら、透過型スクリーン２０が薄型化されると、第１拡散板３３や第２拡散板４３の厚さが薄くなり、またフレネルレンズ３０とレンチキュラーレンズアレイ４０との距離が短くなるので、映像のシンチレーションが発生するおそれがある。シンチレーションとは、観察者の視点の変化に伴って映像光の輝度が変化し、画像がぎらついて見える現象である。

さらに、光源も高輝度で小型化が要求され、投射レンズの小型化、高Ｆ値化が進んでおり、それらの点でもシンチレーションはより増大する傾向にある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、映像のシンチレーションを防止することが可能な、プロジェクタの提供を目的とする。
また、表示品質に優れた背面投射型ディスプレイ装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本プロジェクタは、光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が静止状態にあることを特徴としている。
散乱手段が時間的に静止することで、稼動部を減らすことが可能になり、振動や騒音を低減できるとともに、時間的な輝度変化、像のボケ、色ずれなどを抑制することが可能になる。

空間的な散乱手段とは、光源の光がビームのような狭い面積ではなく、一定の面積をもって散乱手段に入射することを示しており、その散乱手段に入射する光の幅は光変調素子の幅の１／２以上であることや、投射光学系によって投射される光変調素子の像位置の近傍に、前記散乱手段の像が結像する位置に前記散乱手段が配置されていることでその効果は向上する。

そして、散乱手段の構造をランダムにすると、光変調素子やスクリーンなどの周期構造とのモアレ欠陥が生じにくくなる。
散乱手段の像が、光変調素子の位置と完全に一致してしまうと、散乱手段上の欠陥がある場合、表示像にその欠陥が顕著に現れるため、その結像位置をずらすほうが良い場合もある。

スクリーン上の光変調素子の画素構造のサイズｐは１ｍｍ以下であることが多く、また、散乱構造のサイズが小さくなりすぎると着色するなどの問題が生じる場合がある。
前記散乱手段の散乱構造の平均サイズをｄ，散乱手段に入射する光の幅をＷ，前記投射されるスクリーンサイズをＨとすると、
０．００００１ｍｍ＜ｄ かつ
ｄ×Ｈ／Ｗ＜１ｍｍであることでも、その効果は向上する。
望ましくは、ｄ×Ｈ／Ｗ＜ｐであればよりその効果は増大する。

散乱手段として時間的に位相を変調する液晶位相変調素子を用いると、稼動部分がなくなり、耐久性、騒音などにたいして有利になる。

また、スクリーンが透過型スクリーンであると、シンチレーション欠陥が顕著に現れるが、光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が時間的に静止していることで、効果的なシンチレーション低減が可能になる。

さらに、光源の可干渉距離が０．１７ｍｍ以上であると、よりシンチレーション欠陥が顕著に現れるが、光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が時間的に静止していることで、より効果的にシンチレーション低減が可能になる。

また、光源の可干渉距離が５ｍｍ以上になると、光源によるスペックルの影響によって効果が低減することから、光源の可干渉距離は５ｍｍ以下であることが望ましい。

投射光学系の瞳の大きさをａ，投射光学系の瞳とスクリーンまでの距離をＺとすると、ａ／Ｚ＞１．１５×１０^-3の関係を満たすことで、よりシンチレーション低減の効果をあげることが可能になる。

さらに、前記散乱手段によって静止しているスクリーン入射時の位相が、スクリーン上の微小間隔をｐとした場合、ｐにおける位相差の最大変動量Δφが、Δφ＞１．１５×１０^-3×ｐを満たすことでもシンチレーション低減の効果をあげることが可能になる。

また、散乱手段表面に、片面もしくは両面に反射防止処理を施せば、明るさの低減を抑えながらシンチレーション低減が実現可能になる。
この構成によれば、映像のシンチレーションを防止することができる

さらに、透過形スクリーンにおいて、スクリーンの散乱層の総厚を１ｍｍ以下にしても、映像のシンチレーションを防止することができる。

本発明のプロジェクタは、
光源と、光源からの光を変調する光変調素子と光変調素子によって変調された映像をスクリーン上に投射する投射光学系を有するプロジェクタであって、前記光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が時間的に静止していること像のボケやズレなどを抑えながら、映像のシンチレーションを防止することができる。

以下、本発明につき、図面を参照しながら詳細に説明する。
（背面投射型ディスプレイ装置）
図１は、背面投射型ディスプレイ装置の一例であるリアプロジェクションテレビの側面断面図である。
図１に示すリアプロジェクションテレビ１０は、映像光を投射するプロジェクタ１２と、映像光を反射する反射鏡１３，１４と、映像光を背面から入射させ正面に映像を表示する透過型スクリーン２０と、透過型スクリーン２０の正面を外部に露出させつつ全体を覆う筐体１１とを主として構成されている。

図２は、三板式プロジェクタの概略構成図である。
このプロジェクタ１１２は、高圧水銀ランプ等の白色光源１１０を備えている。
その光源１１０から出た光は、レンズ１６４を透過後、拡散板等からなる散乱手段１１５に入射するように配設されている。
その散乱手段１１５の下流側に、青色光１３０のみを透過する青色光分光ミラー１３２，緑色光１４０を反射し赤色光を透過する緑色光分光ミラー１４２，および赤色光１５０を反射する赤色光分光ミラー１５２が順に設けられている。

青色光分光ミラー１３２の下流側には、青色光１３０を平行光に変換する平行光変換レンズ１３４と、青色光１３０を変調して青色映像光を作成する光変調素子としての青色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「青色光用ＬＶ」という。）１３６と、青色光を反射する青色光集光ミラー１３８とが設けられている。
同様に、緑色光分光ミラー１４２の下流側には、平行光変換レンズ１４４と、緑色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「緑色光用ＬＶ」という。）１４６と、緑色光を反射し青色光を透過する緑色光集光ミラー１４８とが設けられている。

赤色光分光ミラー１５２の下流側には、平行光変換レンズ１５４と、赤色光変調用液晶ライトバルブ（以下、「赤色光用ＬＶ」という。）１５６と、赤色光１５０のみを透過する赤色光集光ミラー１５８とが設けられている。
そして、各色光集光ミラー１３８，１４８，１５８の下流側には、映像光を拡大投射する投射レンズ１６０が設けられている。

本発明では、プロジェクタ１１２には、光学系上に光学系から、一定の面積に広げられた光を散乱させる散乱手段１６４を持つ。
その散乱手段には空間的に一定の面積をもって光が入射するように配置する、例えば光源からの光が、光ファイバーやライトパイプを透過後ように細い光線である場合、レンズや曲面ミラーなどで光を広げてから散乱手段に光が入射することが望ましい。

何故なら、シンチレーションの低減では、スクリーン上での位相の傾き変化が大きいほど効果が大きいため、散乱手段に入射する光の面積が小さくなると、スクリーン上での位相の傾き変化量が得られなくなる。
散乱手段に入射する光の幅が、光変調素子の幅の１／２以上であることが望ましく、光変調素子の幅とほぼ同等であるとさらに良い。

シンチレーションは、透過型スクリーンにおいてより強く生じる。
これは、透過型スクリーンが反射型スクリーンより拡散性が小さいためである。
本発明は、この透過型スクリーンの散乱性の少なさを補う方法であるため、より高い効果が得られる。このとき透過型スクリーンの散乱層の厚み（最も光源側の散乱層位置と最も観察者側の散乱層位置の距離）を１ｍｍ以下とすることで、解像度の優れ、かつシンチレーションの少ない画像を得ることが出来る。

散乱手段によって、投射光学系の瞳より入射光が大きく広がってしまった場合、瞳より大きく広がった光は吸収され光の利用効率を落としてしまう。
そのため、課散乱手段による光線の広がりが投射光学系の瞳より小さいことが望ましい。
散乱のない場合と比較して、散乱があった場合、その光量は７０％以上あることが望ましい。

また、光量低下を防ぐために、散乱要素の表面に反射防止処理を施すことが望ましい。
しかしながら、散乱量が小さいとシンチレーション低減も効果も小さくなることから、投射光学系の瞳は大きい方がシンチレーション低下の効果がある。

投射光学系の望ましい瞳の大きさは次のように求められる。
観察者がスクリーンから１ｍの距離で画面を観察し、観察者の目の瞳の大きさを４ｍｍとした場合、目の瞳の大きさの回折限界から、少なくともスクリーン上の直径０．１７ｍｍの大きさの面積を観察していることになる。そこで、この０．１７ｍｍの範囲内の光に可干渉性を持つとすると、観察者の網膜の干渉パターンによってシンチレーションが生じる。
このスクリーン上のＲ＝０．１７ｍｍの範囲の可干渉性は、次のようによって求められる。
投射光学系の瞳からスクリーンまでの距離をＺ，光源の波長をλ，投射光学系の瞳の大きさをaとすると、コヒーレンス度γ（Ｒ）は

で、あらわされる。なおＪ_１は、１次のベッセル関数を示す。
λを５００ｎｍ，Ｒ＝０．１７ｍｍとしたとき、干渉パターンのコントラストを示すγを０．５以下にするためには、ａ／Ｚが１．１５×１０^-3以上である必要がある。
なお、この例はスクリーンに対して投射光学系の瞳が固定されている場合を示しているが、投射光学系の瞳とスクリーンまでの距離の関係がａ／Ｚが１．１５×１０^-3以下であっても、時間的に瞳位置が静止している場合や、複数の瞳をもった場合でも、光学的にスクリーンへの入射角の見込角が１．１５×１０^-3以上となれば良い。
このことは、散乱手段によって静止しているスクリーン入射時の位相が、スクリーン上の微小間隔をｐとした場合、ｐにおける位相差の最大変動量Δφが、Δφ＞１．１５×１０^-3×ｐを満たすことを示している。

（具体的な構成）
次に、第１実施形態のプロジェクタを用いた映像投射方法について図３を用いて説明する。
光源から投射された光は、レンズＬ１に入射する。Ｌ１を透過し一定の面積に広げられた光は、散乱散乱手段である拡散板に入射する。拡散板に入射した光は、レンズＬ２及びＬ３を透過後、高温ポリシリコン液晶など光変調素子に入射する。このとき、レンズＬ２の焦点距離をｆ２，レンズＬ３の焦点距離をｆ３とすると、レンズＬ２とレンズＬ３の距離をＬ２＋Ｌ３とし、Ｌ２の後焦点位置に拡散板を配置し、Ｌ３の前焦点位置に光変調素子を配置する４ｆ光学系とする。

この配置では、散乱変調手段である拡散板が空間変調素子近傍に結像する。
光変調素子を透過した光は、投射光学系によってスクリーン上に結像する。
拡散板は光学系上に固定された構造となっている。拡散板による散乱は、拡散板の像がスクリーン近傍に結像することによって、スクリーン上での位相を乱すことが出来る。
スクリーン上での位相変化は、つまりスクリーンに入射する光の方向を微小に乱すことに相当するため、シンチレーションパターンを抑制し、その結果観察者には、シンチレーションが低減して観察される。

本実施形態のように、４ｆの光学系を用いると、光変調素子から射出した光は、光軸にほぼ平行になるため、プロジェクタの投射光学系によく用いられるテレセントリック光学系では効率が向上する。しかしながら、４ｆ光学系に限らず、散乱散乱手段がスクリーン近傍に結像することによってシンチレーション低減の効果は得られる。
本実施形態では、散乱手段の像が、スクリーン近傍に結像する構成となっている。
この構成では散乱によるシンチレーション低減効果を強めることが可能になるが、散乱手段上のゴミや傷などの欠陥がスクリーン上での映像の欠陥として生じやすい欠点を持つ。
その場合、散乱手段の像位置をスクリーン位置とずらすと良い。

本施形態では、位相散乱手段として静止している拡散板とし散乱手段を結像スクリーン近傍に結像させるために４ｆ光学系を用いたが、それに限定されるものではなく、散乱手段は液晶による位相変調素子であっても良いし、反射型拡散板であっても良い。
また、散乱手段は、必ずしもスクリーン近傍に結像する必要はない。
これらの組み合わせは、固定されるものではなく、異なった組合せによっても実現可能である。

なお、本実施形態では、説明のために光源からの光は、分離せずに光変調素子に入射するように記載しているが、当然、図１で説明したように色分解した後、３枚の空間変調素子に入射する光学系に用いても良い。
この場合、位相変調手段は、各空間変調素子ごとに別々に３つ準備してもよいが、１つの空間変調素子が色分離される前に位相変調手段を通過する光学系にすれば、位相変調手段は１つでよく、コストダウンや小型化に有効である。

近時、透過型スクリーン２０におけるフレネルレンズ３０のフィルム化などスクリーン全体の薄型化が検討されている。
これは、基材３２の光源側表面の粗面化等により第１散乱部を形成し、第１拡散板３３を廃止して、フレネルレンズ３０を厚さ1ｍｍ以下に薄型化するものである。
これにより、透過型スクリーン２０を軽薄化し、なおかつ低コスト化することができる。

こうすることで、フレネルレンズとレンチキュラーレンズを組み合わせて見た場合の散乱層厚を１ｍｍ以下に薄くすることが可能になり、透過型スクリーン２０の解像度および鮮鋭度を向上させることができる。

しかしながら、透過型スクリーン２０が薄型化されると、第１散乱部の厚さが薄くなり、また、フレネルレンズ３０とレンチキュラーレンズアレイ４０との距離が短くなるので、一般のプロジェクタでは映像のシンチレーションが発生するおそれがある。
光学系上に光源からの光の位相を乱す手段を備え、かつ前記位相を乱す手段が光学系上で静止しており、前記散乱手段が前記スクリーン近傍に結像することを特徴とするプロジェクタを用いることで、シンチレーションを低減することで、高画質の映像を観察することが可能になる。

リアプロジェクションテレビの側面断面図。 三板式プロジェクタの概略構成図。 本発明に係るプロジェクタの概略構成図。 透過型スクリーンの平面断面図。

符号の説明

１０ リアプロジェクションテレビ
１２ プロジェクタ
１３，１４ 反射鏡
２０ 透過型スクリーン
３０ フレネルレンズ
４０ レンチキュラーレンズアレイ（拡散レンズアレイ）

Claims (14)

1. 光源と、
   光源からの光を変調する光変調素子と、
   光変調素子によって変調された映像光をスクリーン上に投射する投射光学系
   を有するプロジェクタにおいて、
   光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が静止状態にある
   ことを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記散乱手段に入射する光の幅Ｗが、光変調素子の幅Ｏの１／２以上であること特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記散乱手段の散乱構造の平均サイズをｄ，前記散乱手段に入射する光の幅をＷ，投射されるスクリーンサイズをＨとすると、
   ０．００００１ｍｍ＜ｄ かつ
   ｄ×Ｈ／Ｗ＜１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
4. 前記散乱手段が空間的にランダム構造をもつこと特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
5. 前記投射光学系によって投射される光変調素子の像位置の近傍に、前記散乱手段の像が結像する様に前記散乱手段が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
6. 前記散乱手段が、時間的に位相を変調する液晶位相変調素子であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
7. スクリーンが、透過型スクリーンであることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
8. 光源の可干渉距離が、０．１７ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
9. 光源の可干渉距離が、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
10. 投射光学系の瞳の大きさをａ，投射光学系の瞳とスクリーンまでの距離をＺとすると、ａ／Ｚ＞１．１５×１０^-3の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
11. 前記散乱手段によって静止しているスクリーン入射時の位相が、スクリーン上の微小間隔をｐとした場合、ｐにおける位相差の最大変動量Δφが、Δφ＞１．１５×１０^-3×ｐを満たすことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
12. 前記散乱手段表面に、片面もしくは両面に反射防止処理を施したことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
13. 請求項１〜９の何れかに記載のプロジェクタと、
    プロジェクタから投射された映像光を背面から入射させ、正面に映像を表示する透過型スクリーンと、
    を備えたことを特徴とする背面投射型ディスプレイ装置。
14. 光源と、光源からの光を変調する光変調素子と光変調素子によって変調された映像をスクリーン上に投射する投射光学系を有するプロジェクタ用の透過型スクリーンであって、
    光源と光変調素子との間に空間的な散乱手段を備え、前記散乱手段が時間的に静止状態にあるプロジェクタからの光を透過散乱させることを特徴とする透過型スクリーン。