JP4155275B2

JP4155275B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP4155275B2
Application number: JP2005088714A
Authority: JP
Inventors: 富雄曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: CN1837896A; JP2006267868A; US7635187B2; CN100371769C; US20060215118A1

Description

本発明は画像表示装置に関するものである。

液晶装置等の空間光変調装置で生成された画像情報を含む色光を投射系を介してスクリーン上に投射する画像表示装置（プロジェクタ）の一例として、スクリーンの背面側から色光を投射する背面投射型画像表示装置（リアプロジェクタ）が知られている。また、偏光方向が互いに異なる色光をスクリーン上に投射し、投射した画像を鑑賞者に立体像として認識させる立体画像表示装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−１８５９６９号公報

従来の技術は、一方の目用画像を形成するためのプロジェクタと他方の目用画像を形成するためのプロジェクタとをそれぞれ個別に設けている。すなわち、２つのプロジェクタのそれぞれが光源を独立して有している構成である。この場合、各プロジェクタの光源から射出される光量にばらつきが生じると、一方の目用画像と他方の目用画像との間に差異が生じたり色ずれが生じる等の不都合が生じ、所望の画像を表示できない可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、所望の画像を表示できる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、光を射出する光源を含む１つの照明系と、前記照明系から射出された光を偏光分離する偏光分離系と、前記照明系に対して複数設けられ、前記偏光分離系で分離された光のそれぞれを複数の基本色光に分離する色分離系と、前記色分離系に対応して複数設けられ、前記色分離系で生成された前記複数の基本色光のそれぞれを画像信号に応じて光変調する空間光変調装置と、前記色分離系に対応して複数設けられ、前記空間光変調装置により変調された前記基本色光を合成する色合成系と、前記複数の色合成系のそれぞれで生成された光を合成する１つの偏光合成系と、前記偏光合成系で生成された光を投射面上に投射する１つの投射系とを備えた画像表示装置を提供する。

本発明によれば、光源を含む１つの照明系より光を射出し、その照明系から射出された光を偏光分離系で偏光分離し、偏光分離された複数の光のそれぞれを、その複数の光に対応して設けられた複数の色分離系、空間光変調装置、及び色合成系のそれぞれを通過させて、互いに異なる偏光方向を有する光に基づく複数の画像を生成し、その偏光方向が互いに異なる複数の光のそれぞれを偏光合成系で合成して１つの投射系に供給するようにしたので、光源を含む照明系が複数あることに起因する不都合を防止しつつ、偏光方向が互いに異なる複数の光のそれぞれを投射面上に投射することができる。

前記複数の空間光変調装置の光射出面のそれぞれと前記投射系との光学的な距離は互いに略等しい構成を採用することができる。これにより、投射面に投射される偏光方向が互いに異なる複数の光のそれぞれの状態をほぼ等価にすることができる。

前記複数の色分離系のうち第１の色分離系の光入射部に設けられ、光の偏光方向を変換させる第１偏光変換素子と、前記複数の色合成系のうち前記第１の色分離系とは異なる第２の色分離系に対応する第２の色合成系の光射出部に設けられ、光の偏光方向を変換させる第２偏光変換素子とを有する構成を採用することができる。これにより、偏光方向が互いに異なる複数の光のそれぞれを投射面上に投射することができる。

前記基本色光は、赤色光、緑色光、及び青色光を含み、前記複数の色合成系のうち第１の色合成系は第１偏光の赤色光及び青色光と第２偏光の緑色光とを前記偏光合成系に供給し、第２の色合成系は第２偏光の赤色光及び青色光と第１偏光の緑色光とを前記偏光合成系に供給する構成を採用することができる。これにより、所望のフルカラー画像を形成することができる。

前記投射系から投射され前記投射面を介した光のうち第１偏光のみを透過する一方の目用透過部と、第２偏光のみを透過する他方の目用透過部とを有する眼鏡を有する構成を採用することができる。これにより、眼鏡をかけた鑑賞者に立体像を認識させることができる。

前記空間光変調装置は液晶装置を含む構成を採用することができる。これにより、画像信号に応じた所望の画像を投射することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。そして、水平面内における所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。更には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

図１は、本実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、図１の一部を抽出した側面図である。図３は、後述する第１色分離系Ｄ１、第１空間光変換装置Ｖ１、及び第１色合成系１９を示す平面図、図４は、第２色分離系Ｄ２、第２空間光変換装置Ｖ２、及び第２色合成系２９を示す平面図である。

図１において、画像表示装置ＰＪは、スクリーン（投射面）１０と、スクリーン１０上に画像を投射する投射ユニットＵとを備えている。投射ユニットＵからスクリーン１０に対して光が投射されることにより、スクリーン１０上に画像が形成される。本実施形態の画像表示装置ＰＪは、スクリーン１０の背面側からスクリーン１０上に画像を投射する背面投射型画像表示装置、所謂リアプロジェクタである。以下の説明において、画像表示装置を適宜、「プロジェクタ」と称する。

投射ユニットＵは、光を射出する光源を含む１つの照明系１と、照明系１から射出された光を偏光分離する偏光分離系２と、照明系１に対して複数設けられ、偏光分離系２で分離された光のそれぞれを複数の基本色光に分離する色分離系Ｄ１、Ｄ２と、色分離系Ｄ１、Ｄ２に対応して複数設けられ、色分離系Ｄ１、Ｄ２で生成された複数の基本色光のそれぞれを画像信号に応じて光変調する空間光変調装置Ｖ１、Ｖ２と、色分離系Ｄ１、Ｄ２に対応して複数設けられ、空間光変調装置Ｖ１、Ｖ２により変調された基本色光を合成する色合成系１９、２９と、複数の色合成系１９、２９のそれぞれで生成された光を合成する１つの偏光合成系７と、偏光合成系７で生成された光をスクリーン１０上に投射する１つの投射系（投射光学系）８とを備えている。

本実施形態においては、投射ユニットＵは、第１色分離系Ｄ１及び第２色分離系Ｄ２の２つの色分離系を有している。また、投射ユニットＵは、第１空間光変調装置Ｖ１及び第２空間光変調装置Ｖ２の２つの空間光変調装置を有している。また、投射ユニットＵは、第１色合成系１９及び第２色合成系２９の２つの色合成系を有している。

照明系１は、光源、インテグレータ系、及びレンズ系を含んで構成されている。光源は、例えば超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどによって構成可能であり、白色光（Ｗ）を射出する。光源は１つである。インテグレータ系は、例えばフライアイレンズを含んで構成されており、光源より射出され、偏光分離系２に対する光（白色光）の照度を均一化する。

図１及び図２において、偏光分離系２は、例えば偏光ビームスプリッタによって構成されており、照明系１から射出された光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する。偏光分離系２で分離されたＳ偏光は第１色分離系Ｄ１側に供給され、Ｐ偏光は第２色分離系Ｄ２側に供給される。

偏光分離系２で偏光分離されたＰ偏光とＳ偏光とのうち、Ｓ偏光は、反射ミラー３で反射した後、第１偏光変換素子４に入射する。第１偏光変換素子４は、光の偏光方向を変換させるものであって、第１偏光変換素子４によって、Ｓ偏光はＰ偏光に変換される。

図１、図２、図３において、第１偏光変換素子４を通過したＰ偏光の白色光（Ｗ）は、第１色分離系Ｄ１によって、複数の基本色光に分離される。第１偏光変換素子４は、第１色分離系Ｄ１の光入射部に設けられた構成となっている。第１色分離系Ｄ１は、第１ダイクロイックミラー１１と、第２ダイクロイックミラー１２とを備えている。また、第１色分離系Ｄ１に対応して設けられた第１空間光変調装置Ｖ１は、赤色光用ライトバルブ１６と、緑色光用ライトバルブ１７と、青色光用ライトバルブ１８とを備えている。

第１ダイクロイックミラー１１は、赤色波長帯域の光（以下、赤色光（Ｒ）と称する）を透過し、その他の波長帯域の光を反射する。第１ダイクロイックミラー１１を透過した赤色光（Ｒ）は、反射ミラー１５で反射して、赤色光用ライトバルブ１６に導かれる。一方、第１ダイクロイックミラー１１で反射した光は、第２ダイクロイックミラー１２に導かれる。

第２ダイクロイックミラー１２は、青色波長帯域の光（以下、青色光（Ｂ）と称する）を透過し、緑色波長帯域の光（以下、緑色光（Ｇ）と称する）を反射する。第２ダイクロイックミラー１２で反射した緑色光（Ｇ）は緑色光用ライトバルブ１７に導かれる。また、第２ダイクロイックミラー１２を透過した青色光（Ｂ）は、リレーレンズ４１、反射ミラー１３、リレーレンズ４２、反射ミラー１４、及びリレーレンズ４３を介して青色光用ライトバルブ１８に導かれる。

第１空間光変調装置Ｖ１の各ライトバルブ１６、１７、１８は、液晶装置によって構成されている。ライトバルブは、入射側偏光板と、一対のガラス基板どうしの間に封入された液晶を有するパネル部と、射出側偏光板とを備えている。ガラス基板には画素電極や配向膜が設けられている。ライトバルブは、定められた振動方向の光のみを透過させるようになっており、ライトバルブに入射した各基本色光（赤色光、緑色光、及び青色光）は、ライトバルブを通過することによって光変調される。

各ライトバルブ１６、１７、１８を通過することで変調された各基本色光（変調光）は、第１色合成系１９で合成される。第１色合成系１９はダイクロイックプリズムによって構成されており、Ｐ偏光の赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）は第１色合成系１９で合成されてカラー合成光となる。第１色合成系１９から射出される光はＳ偏光のカラー合成光である。第１色合成系１９から射出されたＰ偏光のカラー合成光は偏光合成系７に導かれる。したがって、偏光合成系７にはＰ偏光の赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）が供給される。

偏光分離系２で偏光分離されたＰ偏光とＳ偏光とのうち、Ｐ偏光は、第２色分離系Ｄ２に入射する。

図１、図２、図４において、偏光分離系２で偏光分離されたＰ偏光の白色光（Ｗ）は、第２色分離系Ｄ２によって、複数の基本色光に分離される。第２色分離系Ｄ２は、第１ダイクロイックミラー２１と、第２ダイクロイックミラー２２とを備えている。また、第２色分離系Ｄ２に対応して設けられた第２空間光変調装置Ｖ２は、赤色光用ライトバルブ２６と、緑色光用ライトバルブ２７と、青色光用ライトバルブ２８とを備えている。

第１ダイクロイックミラー２１は、赤色光（Ｒ）を透過し、その他の波長帯域の光を反射する。第１ダイクロイックミラー２１を透過した赤色光（Ｒ）は、反射ミラー２５で反射して、赤色光用ライトバルブ２６に導かれる。一方、第１ダイクロイックミラー２１で反射した光は、第２ダイクロイックミラー２２に導かれる。

第２ダイクロイックミラー２２は、青色光（Ｂ）を透過し、緑色光（Ｇ）を反射する。第２ダイクロイックミラー２２で反射した緑色光（Ｇ）は緑色光用ライトバルブ２７に導かれる。また、第２ダイクロイックミラー２２を透過した青色光（Ｂ）は、リレーレンズ５１、反射ミラー２３、リレーレンズ５２、反射ミラー２４、及びリレーレンズ５３を介して青色光用ライトバルブ２８に導かれる。

第２空間光変調装置Ｖ２の各ライトバルブ２６、２７、２８は、液晶装置によって構成されている。ライトバルブに入射した各基本色光（赤色光、緑色光、及び青色光）は、ライトバルブを通過することによって光変調される。

各ライトバルブ２６、２７、２８を通過することで変調された各基本色光（変調光）は、第２色合成系２９で合成される。第２色合成系２９はダイクロイックプリズムによって構成されており、Ｐ偏光の赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）は第２色合成系２９で合成されてカラー合成光となる。第２色合成系２９から射出される光はＰ偏光のカラー合成光である。

第２色合成系２９の光射出部には、光の偏光方向を変換させる第２偏光変換素子５が設けられている。第２偏光変換素子５によって、第２色合成系２９から射出されたＰ偏光のカラー合成光は、Ｓ偏光のカラー合成光に変換される。第２色合成系２９から射出され、第２偏光変換素子５を通過したＳ偏光のカラー合成光は、反射ミラー６を介して偏光合成系７に導かれる。したがって、偏光合成系７にはＳ偏光の赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）が供給される。

偏光合成系７で合成された光、すなわちＰ偏光のカラー合成光とＳ偏光のカラー合成光とは、投射系８によってスクリーン１０上に投射される。投射系８は、入射側の画像を拡大してスクリーン１０上に投射する所謂拡大系である。これにより、投射ユニットＵは、スクリーン１０上にフルカラーの合成画像を形成することができる。鑑賞者は、投射ユニットＵによりスクリーン１０の背面側からスクリーン１０に対して投射された画像（合成画像）を正面側から鑑賞する。

本実施形態においては、複数のライトバルブ１６、１７、１８、２６、２７、２８の各光射出面のそれぞれと、投射系８との光学的距離は互いに等しくなっている。これにより、スクリーン１０に投射される偏光方向が互いに異なる複数の光のそれぞれの状態をほぼ等価にすることができ、スクリーン１０上に所望の画像を形成することができる。

また、本実施形態のプロジェクタＰＪは、立体画像表示装置として使用可能である。すなわち、スクリーン１０上に投射した画像を立体像として鑑賞者に認識させるために、プロジェクタＰＪは、一方の目用画像（例えば左目用画像）として、Ｓ偏光のフルカラー合成光をスクリーン１０上に投射し、他方の目用画像（例えば右目用画像）として、Ｐ偏光のフルカラー合成光をスクリーン１０上に投射している。

鑑賞者は、図１に示すような、左目側にＳ偏光透過フィルム３１を有し、右目側にＰ偏光透過フィルム３２を有した眼鏡３０を装着することにより、立体像を認識することができる。ここで、眼鏡３０の左目側のＳ偏光透過フィルム３１は、スクリーン１０を介したＳ偏光のみを透過する左目用透過部として機能し、眼鏡３０の右目側のＰ偏光透過フィルム３２は、スクリーン１０を介したＰ偏光のみを透過する右目用透過部として機能している。

以上説明したように、１つの照明系（光源）１から射出させた光を偏光分離系２でＳ偏光とＰ偏光とに分離し、それら分離した光を２つの色分離系Ｄ１、Ｄ２、空間光変調装置Ｖ１、Ｖ２、及び色合成系１９、２９のそれぞれを通過させた後、最終的はそれら２つの光（Ｓ偏光フルカラー合成光、Ｐ偏光フルカラー合成光）を偏光合成系７で合成して１つの投射系８からスクリーン１０上に投射しているので、光源（照明系）が複数あることに起因する不都合を防止しつつ、２つの光をスクリーン１０上に投射することができる。すなわち、光源が２つ（複数）ある場合には、例えば２つの光源のそれぞれから射出される光の光量に違いがあったり、２つの光源のうちどちらか一方の経時的な劣化が大きい場合、一方の目用画像と他方の目用画像との間に差異が生じたり色ずれが生じる等の不都合が生じ、所望の画像を表示できない可能性がある。ところが、本実施形態では、光源を１つにしたので、そのような不都合を防止することができる。また、光源及び投射系が１つなので、スクリーン１０上での照度むらや色むら、あるいはちらつき（フリッカ）等の発生を抑えることができる。

また、投射系８も１つなので、例えばスクリーン１０に対する投射系８の位置合わせ作業も、１つの投射系８に対して行えばよいので、複数の投射系がある構成に比較して、投射系８（投射ユニットＵ）の設置作業を簡単に行うことができる。

また本実施形態においては、第１色分離系Ｄ１と第２色分離系Ｄ２とはほぼ同等の構成を有し、第１空間光変調装置Ｖ１と第２空間光変調装置Ｖ２とはほぼ同等の構成を有し、第１色合成系１９と第２色合成系２９とはほぼ同等の構成を有している。したがって、互いに異なる構成を有する色分離系、空間光変調装置、及び色合成系を用意しなくても、同種の色分離系、空間光変調装置、及び色合成系を複数用意し、これらを組み合わせてユニットを形成し、その形成されたユニットを２つ組み合わせ、第１色分離系の光入射部側に第１偏光素子４を配置するとともに、第２色合成系の光射出部側に第２偏光変換素子５を配置するといった簡単な構成で、本実施形態の投射ユニットＵを製造することができる。

なお上述のように、第１色分離系Ｄ１と第２色分離系Ｄ２とはほぼ同等の構成を有し、第１空間光変調装置Ｖ１と第２空間光変調装置Ｖ２とはほぼ同等の構成を有し、第１色合成系１９と第２色合成系２９とはほぼ同等の構成を有しており、第１色合成系１９からは、偏光合成系７に対して、Ｐ偏光の赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）が供給され、第２色合成系２９からは、偏光合成系７に対して、第２偏光変換素子２９を介して、Ｓ偏光の赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、及び青色光（Ｂ）が供給されているが、例えば、第１色合成系１９がＳ偏光の赤色光（Ｒ）及び青色光（Ｂ）とＰ偏光の緑色光（Ｇ）とを偏光合成系７に供給し、第２色合成系２９がＰ偏光の赤色光（Ｒ）及び青色光（Ｂ）とＳ偏光の緑色光（Ｇ）とを偏光合成系７に供給するようにしてもよい。例えば、ダイクロイックミラーで生成された緑色光（Ｇ）の光路上に偏光変換素子を配置し、緑色光（Ｇ）の偏光方向と、赤色光（Ｒ）及び青色光（Ｂ）の偏光方向とを異ならせることで、上述の構成を実現できる。あるいは、特開２００３−１８５９６９号公報に開示されているような映像信号供給手段を使って、色合成系に入射する緑色光（Ｇ）の偏光方向を赤色光（Ｒ）及び青色光（Ｂ）と異ならせてもよい。

なお上述の各実施形態においては、スクリーン１０の背面側からスクリーン１０に対して画像を投射する背面投射型画像表示装置（リアプロジェクタ）に関して本発明の画像表示装置を適用する場合を例にして説明したが、スクリーンの正面側からスクリーンに対して画像を投射する画像表示装置に適用してもよい。

上述の各実施形態においては、１つの基本色光について互いに直交関係にある偏光方向を有する光をスクリーン１０上に投射することによって立体像を形成しているが、偏光方向としては、直線偏光であるＳ偏光及びＰ偏光に限られず、円偏光である右円偏光及び左円偏光であってもよい。

また上述の実施形態においては、本発明の画像表示装置を立体画像表示装置に適用した場合を例にして説明したが、二次元画像を表示する装置であってもよい。この場合、スクリーン１０上には、互いに直交関係にある偏光方向を有する光を必ずしも投射しなくてもよい。すなわち、各投射ユニットから、同じ偏光方向を有する光を投射するようにしてもよい。

なお上述の実施形態においては、空間光変調装置として液晶装置（ライトバルブ）を用いているが、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の反射型光変調装置（ミラー変調器）を用いてもよい。

本実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す斜視図である。図１の一部を抽出した側面図である。第１色分離系、第１空間光変換装置、及び第１色合成系を示す平面図である。第２色分離系、第２空間光変換装置、及び第２色合成系を示す平面図である。

符号の説明

１…照明系、２…偏光変換系、７…偏光合成系、８…投射系、１０…スクリーン（投射面）、１９、２９…色合成系、３０…メガネ、３１…Ｓ偏光透過フィルム（一方の目用透過部）、３２…Ｐ偏光透過フィルム（他方の目用透過部）、Ｄ１、Ｄ２…色分離系、ＰＪ…プロジェクタ（画像表示装置）、Ｕ…投射ユニット、Ｖ１、Ｖ２…空間光変調装置

Claims

光を射出する光源を含む１つの照明系と、
前記照明系から射出された光を偏光分離する偏光分離系と、
前記照明系に対して複数設けられ、前記偏光分離系で分離された光のそれぞれを複数の基本色光に分離する第１，第２色分離系と、
前記第１，第２色分離系のそれぞれに対応して設けられ、前記第１，第２色分離系のそれぞれで生成された前記複数の基本色光のそれぞれを画像信号に応じて光変調する第１，第２空間光変調装置と、
前記第１，第２色分離系のそれぞれに対応して設けられ、前記第１，第２空間光変調装置により変調された前記基本色光を合成する第１，第２色合成系と、
前記第１，第２色合成系のそれぞれで生成された光を合成する１つの偏光合成系と、
前記偏光合成系で生成された光を投射面上に投射する１つの投射系と、
前記第１色合成系に対応する前記第１色分離系の光入射部に設けられ、光の偏光方向を変換させる第１偏光変換素子と、
前記第２色分離系に対応する前記第２色合成系の光射出部に設けられ、光の偏光方向を変換させる第２偏光変換素子とを備えた画像表示装置。
前記複数の空間光変調装置の光射出面のそれぞれと前記投射系との光学的な距離は互いに略等しい請求項１記載の画像表示装置。
前記基本色光は、赤色光、緑色光、及び青色光を含み、
前記複数の色合成系のうち第１の色合成系は第１偏光の赤色光及び青色光と第２偏光の緑色光とを前記偏光合成系に供給し、第２の色合成系は第２偏光の赤色光及び青色光と第１偏光の緑色光とを前記偏光合成系に供給する請求項１又は２記載の画像表示装置。
前記投射系から投射され前記投射面を介した光のうち第１偏光のみを透過する一方の目用透過部と、第２偏光のみを透過する他方の目用透過部とを有する眼鏡を有する請求項１〜３のいずれか一項記載の画像表示装置。
前記空間光変調装置は液晶装置を含む請求項１〜４のいずれか一項記載の画像表示装置。