JP4403534B2

JP4403534B2 - 投影型カラー表示装置

Info

Publication number: JP4403534B2
Application number: JP2002125462A
Authority: JP
Inventors: 英明森田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003315794A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影型カラー表示装置に関し、特に、単板の液晶表示素子等の空間変調素子を用いた投影型カラー表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば液晶表示装置の分野で、単板液晶プロジェクターが知られている。その中、特開平４−６０５３８号では、複数の扇形に配置したダイクロイックミラーに白色光を入射させ、赤、青、緑の各光束に分割し、これらの光束をマイクロレンズアレイに異なった角度で入射させることにより、これらの光束毎に、光束を分離して各集光スポットに集光させ、各光束から形成された各集光スポットに液晶表示素子の各画素を配置し、これらの画素を透過する光を投影する投影型カラー液晶表示装置が提案されている。
【０００３】
このダイクロイックミラーを用いる装置は、マイクロレンズによって液晶表示素子の各画素の開口部に集光された光束は、液晶表示素子を通過した後、フィールドレンズにより投影レンズの瞳面上に集光されるが、緑、青、緑の光束は瞳面の異なる位置に集光するため、投影レンズから外れる光はケラレることになる。例えば、３つの異なる角度の光束について、その各光軸は通常、同一平面上にあり、その中、中央の色の光束がケラレないように角度を合わせても、両端の色の光束はその分ケラレることになる。このようなケラレにより投影効率が落ちたり、色再現性が落ちると言った問題がある。あるいは、全ての色の光束を投影レンズにケラレなしに入射させるには、投影レンズの大口径化を図らねばならず、軽量化や小型化に支障が有り、コストが高くなると言う問題もある。
【０００４】
このような問題を解決するために、３つの色の中２つの色を回折する２つのホログラムを多層化あるいは多重化したホログラム素子を用いて、液晶表示素子の各画素に入射する赤、青、緑の光束を平行にする提案もあるが（特開平８−２２０６５６号、特開平１０−２３９６８７号）、ホログラムの角度選択性と入射光の角度分布等の影響で回折効率が１００％にはならないので、ホログラム素子を用いない場合に比べて効率は多少向上したとしても、満足いくものではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホログラムからなる回折格子を１枚用いることにより、高効率で色再現性の良い単板の空間変調素子を用いた投影型カラー表示装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の投影型カラー表示装置は、光源と、この光源からの光を複数の色の光束に分割する分割光学手段と、前記分割光学手段によって分割された各色の光束毎に、光束を分離して集光し、それぞれの集光スポットの配列を形成する集光光学手段と、前記集光光学手段によって形成された各集光スポットの配列に対応した各画素の配列を有する空間変調素子と、前記空間変調素子により変調された各色の光束を受け、前記空間変調素子に表示された画像を拡大投影する投影手段とを備えた投影型カラー表示装置に
おいて、
前記空間変調素子近傍に、一様な間隔で平面からなる干渉縞が形成された体積ホログラムを配置し、前記体積ホログラムにより前記各色の光束の一部を回折させて、それぞれの光束の０次光と回折光とを合わせて前記投影手段に取り込んで前記空間変調素子に表示された画像を投影するようにしたことを特徴とするものである。
【０００７】
この場合、分割光学手段によって、光源からの光が赤、緑、青の３色の光束に分割され、分割された光束の中心の光束の主光線が体積ホログラムの干渉縞となす角度が、他の光束の主光線が体積ホログラムの干渉縞となす角度より小さく設定されていることが望ましい。
【０００８】
また、体積ホログラムの干渉縞がそのフィルム面に略垂直に形成されていることが望ましい。
【０００９】
また、空間変調素子が液晶表示素子からなることが望ましい。
【００１０】
なお、本発明は上記の投影型カラー表示装置に用いられる一様な間隔で平面からなる干渉縞が形成された体積ホログラムを含むものである。
【００１１】
本発明のもう１つの投影型カラー表示装置は、光源と、この光源からの光を複数の色の光束に分割する分割光学手段と、前記分割光学手段によって分割された各色の光束毎に、光束を分離して集光し、それぞれの集光スポットの配列を形成する集光光学手段と、前記集光光学手段によって形成された各集光スポットの配列に対応した各画素の配列を有する空間変調素子と、前記空間変調素子により変調された各色の光束を受け、前記空間変調素子に表示された画像を拡大投影する投影手段とを備えた投影型カラー表示装置において、
前記空間変調素子近傍に、一様な干渉縞が形成されたレリーフホログラムを配置し、前記レリーフホログラムにより前記各色の光束の一部を回折させて、それぞれの光束の０次光と回折光とを合わせて前記投影手段に取り込んで前記空間変調素子に表示された画像を投影するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明においては、空間変調素子近傍に、一様な間隔で平面からなる干渉縞が形成された体積ホログラム等が配置され、そのホログラムにより各色の光束の一部を回折させて、それぞれの光束の０次光と回折光とを合わせて投影手段に取り込んで空間変調素子に表示された画像を投影するようにしたので、より明るく、ホワイトバランスがより良く、色再現性に優れた映像を拡大投影することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の基本原理と本発明による投影型カラー表示装置の１実施例について説明する。
【００１４】
図３に示すように、一様な間隔で平面からなる干渉縞２がフィルム面に垂直に形成された体積ホログラム１について考察する。このような体積ホログラム１に異なる入射角でＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光束を入射させる場合を考える。この中、Ｒの光は干渉縞２に略平行に入射させ、Ｇの光はＲの光を含み干渉縞２に垂直な面内でＲの光に対して角度θ₁をなすように入射させ、Ｂの光はＲとＧの光を含む面内でＲの光に対してＧと反対側に角度θ₂をなすように入射させものとする。
【００１５】
このような配置でＲ，Ｇ，Ｂの光束を入射させると、図３に示すような回折光が生じる。すなわち、Ｒについては、０次光と±１次光（図中では何れも１次光としてある。）、ＧとＢについては、０次光と１次光である。これ以外の次数の回折光も存在するが、体積ホログラムの場合無視し得る大きさである。
【００１６】
図３を見て分かる通り、Ｒ，Ｇ，Ｂ３つの光束が異なる角度で体積ホログラム１に入射しても、Ｇ光とＢ光のそれぞれ０次光と１次光を合わせた光束の重心光線は、Ｒ光の０次光と±１次光を合わせた光束の重心光線により近づき、入射時の角度θ₁、θ₂より小さくなる。
【００１７】
したがって、このような体積ホログラム１を特開平４−６０５３８号で提案されているような単板式の投影型カラー液晶表示装置の液晶表示素子近傍に配置することにより、投影レンズの瞳にＲ，Ｇ，Ｂの光がより入りやすくなり、高効率で明るく色再現性の良い投影型カラー表示装置を構成することが可能になる。
【００１８】
ここで、実際のＲ，Ｇ，Ｂ３色の利用効率の例を、体積ホログラム１を用いた場合と用いない場合とを比較して示す。
【００１９】
まず、入射光の入射角、平行度等を設定する。液晶表示素子の画素仕様、マイクロレンズの焦点距離等を、特開平８−２２０６５６号の場合と同様に、画素ピッチ１００μｍ、開口５０μｍ、マイクロレンズの焦点距離１１００μｍ（媒質中）とする。この条件を用いて、Ｒ，Ｇ，Ｂの光束の平行度及び各色の主光線間の角度を定める。各色の主光線が、対応する各開口の中心を通るように定めると、図４の幾何的関係から、隣合う主光線（ＧとＲ、ＲとＢ）は媒質中で５．２°、空気中で７．９°となる。そこで、Ｒ，Ｇ，Ｂの主光線間の角度（θ₁，θ₂）を８°とする。平行度に関しては、色が異なる隣の開口に光線が入る混色を避けることが必要で、図４においては、Ｒの場合、開口Ｒの中心から開口Ｇの下端（又は、Ｂの上端）までは許容され、空気中の角度で５．９−０．０＝５．９°となる。また、Ｇの場合、開口Ｇの中心から開口Ｒの上端までは許容され、空気中の角度で７．９−２．０＝５．９°で、Ｒの場合と略等しくなる。さらに、Ｂの場合もＧと同様である。そこで、Ｒ，Ｇ，Ｂの光束の平行度は±５°とする。ただし、光源の角度分布はガウシアン分布であるのが普通で、半値で±５°とする。
【００２０】
ここで、図４の画素面より後方（図の右側）に配置される投影レンズについて、その取り込み角はＦナンバーにより、例えば、Ｆナンバー２．０のとき、取り込み角（＝ｔａｎ^-1（１／２Ｆ））＝±１４．０°、Ｆナンバー２．３のとき、取り込み角（＝ｔａｎ^-1（１／２Ｆ））＝±１２．３°、Ｆナンバー２．６のとき、取り込み角（＝ｔａｎ^-1（１／２Ｆ））＝±１０．９°となる。Ｆナンバーが小さいと、取り込み角が大きくなり、効率も大きくなるが、反面、投影レンズの収差により像の歪等の問題が生じる。ここでは、Ｆ２．６を採用し、その取り込み角は１０．９°とする。
【００２１】
また、体積ホログラム１については、平均屈折率ｎ＝１．５２、干渉縞２の屈折率変調Δｎ＝０．０２５、干渉縞２の表面ピッチΛ＝２．６２μｍ、厚さｄ＝４２．０μｍ、Ｑ（＝２πλｄ／ｎΛ²）＝１０．１（λ＝４００ｎｍのとき）であり、いわゆる厚いホログラム（体積ホログラム）とする。
【００２２】
以上のような前提において、Ｒ，Ｇ，Ｂの光束の体積ホログラム１に対する入射光、回折光の角度分布は図５のようになる。ただし、Ｒ光の波長６３０ｎｍ、Ｇ光の波長５４０ｎｍ、Ｂ光の波長４５０ｎｍとしている。
【００２３】
この場合のＲ，Ｇ，Ｂ３色の利用効率は、この体積ホログラム１を用いた場合と用いない場合とで、以下の表１のようになる。
【００２４】
【表１】

【００２５】
以上の結果から、特開平４−６０５３８号のように、Ｒ，Ｇ，Ｂの光束をマイクロレンズアレイに異なった角度で入射させることにより、これらの光束毎に分離して各集光スポットに集光させ、各光束から形成された各集光スポットに液晶表示素子等の空間変調素子の各画素を配置し、これらの画素を透過する光を投影手段により投影する投影型カラー表示装置の、空間変調素子の近傍に上記のような体積ホログラム１を配置することにより、照明光の利用効率が高まると同時に色再現性が向上することが分かる。
【００２６】
以下に、そのような投影型カラー表示装置の例を説明する。図１は、この実施例の投影型カラー表示装置の概略的構成を示している。この実施例の投影型カラー表示装置は、球面鏡１０と、白色光源１２と、コンデンサーレンズ３と、３種のダイクロイックミラー４Ｂ，４Ｒ，４Ｇと、マイクロレンズアレイ５と、液晶表示素子６と、フィールドレンズ７と、投影レンズ８と、投影スクリーン９を備えている。液晶表示素子６は上記の体積ホログラム１を内蔵している。
【００２７】
白色光源１２は、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ等が使用される。球面鏡１０の焦点とコンデンサーレンズ３の焦点は、相互に一致しており、ここに白色光源１２を配置している。このため、コンデンサーレンズ３からは、前記のように、平行度±５°の光束が射出されて、各ダイクロイックミラー４Ｂ，４Ｒ，４Ｇに入射する。
【００２８】
これらダイクロイックミラー４Ｂ，４Ｒ，４Ｇは、それぞれ青、赤、緑の各波長帯域の光を選択的に反射して、他の波長の光を透過する特性を有しており、これらの色の順序で、かつそれぞれ異なる角度で配置されている。
【００２９】
各ダイクロイックミラー４Ｂ，４Ｒ，４Ｇから反射されたＢ，Ｒ，Ｇの光束は、マイクロレンズアレイ５に主光線間の角度が８°となるように入射する。この実施例では、図３、図４のように、Ｒの光束を中心に配して、このＲの光束をマイクロレンズアレイ５に垂直に入射させ、Ｇ，Ｂの各光束をＲの光束の両側に各８度傾けている。
【００３０】
各ダイクロイックミラー４Ｂ，４Ｒ，４Ｇから射出したＢ，Ｒ，Ｇの各光束は、マイクロレンズアレイ５を介して液晶表示素子６に入射する。マイクロレンズアレイ５は、Ｂ，Ｒ，Ｇの各光束毎に、光束を各集光スポットに分離して集光する。Ｂ，Ｒ，Ｇの各光束の各集光スポットの位置は、液晶表示素子６のＢ，Ｒ，Ｇの各画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇの開口部に略一致する。この液晶表示素子６を駆動して、各画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇによる映像の表示を行うと、Ｂ，Ｒ，Ｇの各画素毎に、Ｂ，Ｒ，Ｇの光が透過したり遮断され、この映像を示すＢ，Ｒ，Ｇの各光束が液晶表示素子６から射出される。この映像を示すＢ，Ｒ，Ｇの各光束は、フィールドレンズ７及び投影レンズ８を介して投影スクリーン９に至り、この投影スクリーン９上に映像が結像される。
【００３１】
この実施例では、フィールドレンズ７及び投影レンズ８によって、液晶表示素子６の各画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇの開口部に略一致する各集光スポットを投影スクリーン９上に結像し、これによって鮮明な画像を投影スクリーン９上に結像している。
【００３２】
そして、図２に、マイクロレンズアレイ５と液晶表示素子６の断面を概略的に示すが、上記したように、図３〜図５で説明したような体積ホログラム１が液晶表示素子６の各画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇの射出側に内蔵されている。そして、各画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇを透過した光束は、図３に示したように、Ｒの光束は０次光と±１次光に（図２中では、０次光のみ図示してある。）、ＧとＢについては、０次光と１次光に（図２中では、０次光のみ図示してある。）それぞれ回折されて液晶表示素子６を透過する。なお、図２では、液晶表示素子６の構成要素である偏光板、配向膜等は図示を省略してある。
【００３３】
液晶表示素子６の入射側に設けたマイクロレンズアレイ５は、液晶表示素子６のＢ，Ｒ，Ｇの３つの画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇ毎に１つのマイクロレンズ１５を配置してなる。これらのマイクロレンズ１５の焦点距離を７２０μｍ（ガラス基板中では対向基板厚の１．１ｍｍ）に設定されている。また、各画素１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇのピッチを縦横共に１００μｍに設定されている。
【００３４】
また、投影レンズ８はＦナンバー２．６で、取り込み角が±１０．９°のものを使用している。
【００３５】
このような配置であるので、表１に示したように、体積ホログラム１を内蔵しない場合に比較して、投影スクリーン９に投影される映像はより明るく、ホワイトバランスがより良く、色再現性に優れたものとなる。
【００３６】
以上の説明において、ダイクロイックミラー４Ｂ，４Ｒ，４Ｇによって分離された３つの光束の中心のものをＲとしたが、何れの色を中心に持ってきてもよい。また、体積ホログラム１の干渉縞２とその中心の光束を略平行なものと考えたが、必ずしもこれに限定されず、３つの光束の中心の光束の主光線と干渉縞２とのなす角度が最も小さければよい。また、体積ホログラム１の干渉縞２はそのフィルム面に略垂直に形成されていること前提にしていたが、干渉縞２はフィルム面に対して傾いていてもよい。さらに、体積ホログラム１の配置位置は、液晶表示素子等の空間変調素子の射出側近傍に限定されず入射側近傍であってもよい。また、本発明を適用する空間変調素子としては、液晶表示素子に限定されずＤＭＤ等であってもよい。
【００３７】
さらに、体積ホログラム１の代わりに、Ｑ値が大きく（Ｑ＞１０）、高次回折光が抑制されるレリーフホログラムを用いても同様の効果が得られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の投影型カラー表示装置によると、空間変調素子近傍に、一様な間隔で平面からなる干渉縞が形成された体積ホログラム等が配置され、そのホログラムにより各色の光束の一部を回折させて、それぞれの光束の０次光と回折光とを合わせて投影手段に取り込んで空間変調素子に表示された画像を投影するようにしたので、より明るく、ホワイトバランスがより良く、色再現性に優れた映像を拡大投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影型カラー表示装置の１実施例の概略的構成を示す図である。
【図２】図１のマイクロレンズアレイと液晶表示素子の断面を概略的に示す図である。
【図３】本発明の基本原理を説明するための図である。
【図４】投影型カラー表示装置に用いる１例の液晶表示素子とマイクロレンズの幾何的関係を示す図である。
【図５】図４に用いる体積ホログラムに対する入射光、回折光の角度分布を示す図である。
【符号の説明】
１…体積ホログラム
２…干渉縞
３…コンデンサーレンズ
４Ｂ，４Ｒ，４Ｇ…ダイクロイックミラー
５…マイクロレンズアレイ
６…液晶表示素子
７…フィールドレンズ
８…投影レンズ
９…投影スクリーン
１０…球面鏡
１２…白色光源
１５…マイクロレンズ
１６Ｂ，１６Ｒ，１６Ｇ…画素

Claims

光源と、この光源からの光を異なる角度の複数の色の光束に分割する分割光学手段と、前記分割光学手段によって異なる角度に分割された各色の光束毎に、光束を分離して集光し、それぞれの集光スポットの配列を形成する集光光学手段と、前記集光光学手段によって形成された各集光スポットの配列に対応した各画素の配列を有する液晶表示素子と、前記液晶表示素子により変調された各色の光束を受け、前記液晶表示素子に表示された画像を拡大投影する投影手段とを備えた投影型カラー表示装置において、
前記液晶表示素子近傍に、単一の一様な間隔で平面からなる干渉縞が形成された体積ホログラムを配置し、前記体積ホログラムにより前記各色の光束各々の一部を回折させて、それぞれの光束の０次光と回折光の前記投影手段の取り込み角内の成分を前記投影手段に取り込んで前記液晶表示素子に表示された画像を投影するようにしたことを特徴とする投影型カラー表示装置。
前記分割光学手段によって、前記光源からの光が赤、緑、青の３色の光束に分割され、分割された光束の中心の光束の主光線が前記体積ホログラムの干渉縞となす角度が、他の光束の主光線が前記体積ホログラムの干渉縞となす角度より小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の投影型カラー表示装置。
前記体積ホログラムの干渉縞がそのフィルム面に略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の投影型カラー表示装置。
請求項１から３の何れか１項記載の投影型カラー表示装置に用いられる一様な間隔で平面からなる干渉縞が形成された体積ホログラム。
光源と、この光源からの光を異なる角度の複数の色の光束に分割する分割光学手段と、前記分割光学手段によって異なる角度に分割された各色の光束毎に、光束を分離して集光し、それぞれの集光スポットの配列を形成する集光光学手段と、前記集光光学手段によって形成された各集光スポットの配列に対応した各画素の配列を有する液晶表示素子と、前記液晶表示素子により変調された各色の光束を受け、前記液晶表示素子に表示された画像を拡大投影する投影手段とを備えた投影型カラー表示装置において、
前記液晶表示素子近傍に、単一の一様な干渉縞が形成されたレリーフホログラムを配置し、前記レリーフホログラムにより前記各色の光束各々の一部を回折させて、それぞれの光束の０次光と回折光の前記投影手段の取り込み角内の成分を前記投影手段に取り込んで前記液晶表示素子に表示された画像を投影するようにしたことを特徴とする投影型カラー表示装置。