JP2002072361A - 照明光学系、該照明光学系を有する光学装置、画像処理装置 - Google Patents
照明光学系、該照明光学系を有する光学装置、画像処理装置Info
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Abstract
り階調性の改善を実用的に可能とする照明光学系、該照
明光学系を有する光学装置、特に高輝度化の進む大光量
AVプロジェクター等の画像投影装置に好適な光学装置
及び画像処理装置を提供する。 【解決手段】複数の光束を形成し、これらの光束で照明
を行う照明光学系において、前記複数の光束の分離位置
に各光束のそれぞれに対応する可変絞りを備えた絞り手
段を有する構成とする。
Description
光学系を有する光学装置、画像処理装置に関し、特に照
明光学系をその構成要素に含む画像投影装置等の光学装
置、データ、AV用途の拡大投影用プロジェクターに用
いられる画像投影装置等の光学装置に関する。
装置の基本構成である。同図において、光源部1から射
出された白色光は、パラボラ反射傘2にて平行光として
出射し、赤外および紫外成分を除去するUV−IRカッ
トフィルタUVIRを通過し、それぞれが紙面平行方向
と直交方向に桝目状に配置した凸レンズ群からなる公知
のフライアイレンズ3、4からなる、いわゆるフライア
イインテグレータにて光束分割される。それぞれの光束
は収束して偏光変換素子群PSMに入射し、偏光方向が
そろえられて射出される。コンデンサーレンズ6等を通
過した後、ダイクロイックミラーDM1によって赤色帯
域の光は透過し、緑から青色帯域光は反射される。一般
に、高輝度投影に関る光学機器用光源としては、ハロゲ
ンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等
のガス内アーク放電によるプラズマ発光光源を用い、特
に高効率で発光光源サイズの小さいいわゆるショートア
ークランプが好適とされる。色分離・合成光学素子とし
ては、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム
等が使用され、ホログラム素子や回折素子を当該目的に
用いる技術なども特許開示されている。
色帯域光は全反射ミラーM1によって光路を90度変
え、フィールドレンズ7R、を介して紙面平行方向に長
辺を有する矩形表示範囲を持つ液晶表示素子8R、8
G、8Bの内赤色帯域光成分画像を表示する8Rに入射
し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調され
た光は、ダイクロイックプリズム9に入射し、ダイクロ
イックプリズム内で光路を90度変えて投射レンズ10
に入射し、拡大投影されスクリーン11上に結像され
る。
て反射され、光路を90度変えた緑〜青色帯域光はダイ
クロイックミラーDM2に入射する。ダイクロイックミ
ラーDM2は緑色帯域光を反射する特性を有しているた
め、ここで緑色帯域光は反射され、その光路を90度変
え、フィールドレンズ7G、を介して液晶表示素子8G
に入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変
調された緑色帯域光はダイクロイックプリズム9、投射
レンズ10の順に入射し、拡大投影されスクリーン11
上に結像される。
色帯域光は、レンズ7Bや全反射ミラー、M2、M3を
介して、液晶表示素子8Bに入射し、ここで入力信号に
応じて光変調される。光変調された青色帯域光は、ダイ
クロイックプリズム9に入射し、ダイクロプリズム9で
光路を90度変えて投射レンズに入射し拡大投影されス
クリーン11上に結像される。以上、3色の投影像をス
クリーン11上で重ね合せることでカラー画像が表示さ
れる。なお、これ以下において図面の説明における番
号、名称は同一機能部材に同じ番号を付し、繰り返しを
さけて説明する。
クターとしてすでに製品化され同装置を用い、スクリー
ンを透過タイプにしてテレビセット筐体に組込んだ液晶
リアプロジェクションテレビ・モニター製品も実用化さ
れている。このようなプロジェクター用途では、明るい
環境下でも使用するため高輝度化への要求が強く、フロ
ントプロジェクションタイプの携帯型でありながら、2
000ANSIlmに達する製品も出現している。
ーに於いても、黒レベルの再現を考慮すると、室内を暗
くしてスクリーン照度を下げて用いる事が重要である。
その際、映像輝度差が時系列で大きい、映画などのソー
スを鑑賞するときに画像のハイライトが眩しくて目が疲
れ易い場合がある。また、このような場合、輝度調整が
必要となる。
(ここでは液晶)にてハイライトでのスクリーン照度を
見やすいレベルに調整した場合、照明系の輝度は一定の
ままであるため、黒浮きした画像になりコントラストが
低下するので、画像品位に問題が有った。また、制御可
能な階調数がデバイス性能(液晶では非線型な制御性、
DMDにおいては駆動周波数の制限)からとデジタル制
御での演算処理分解能(bit数不足)との両面から減
少し、滑らかな多階調画像表示が出来なかった。
過もれ(拡散型の反射タイプ液晶素子での黒表示も全黒
表示が不完全である点、同様の問題を生じる)と、付随
する光学系内面反射成分(フレア・ゴースト)によるも
のである。後者による黒浮きの発生は反射型DMD素子
等のマイクロマシンミラー素子を用いた画像投影装置で
も不要光の迷光もれとして生じ、画像品位低下の原因と
なっている。このように、上記した従来の構成では、画
像品位の低下の点で問題があった。
置の光量制御装置として、絞り手段を照明系に適用した
光量調整機構の公知例(米国特許5,053,934号
明細書)を示す。この従来例では、反射傘に楕円タイプ
反射鏡を用い、照明光束を集光して用いており、2枚羽
根の絞り機構が光線収束途中に挿入され、串歯状の2枚
の絞り羽根部材により照明ムラを減じる構成である。こ
れらの黒浮きに関する根本的処置は、信号レベルに依ら
ず、照明系自体での光量制御もしくは、光変調手段以降
の投射光学系で光量制御することで光変調手段の階調表
示能力をフルに使用する事が最善である。
が絶対照度変動に対し一定であるとすると、低輝度シー
ンにおいて光量制御することで照度低下による比例的分
量での黒浮き低減と階調表現範囲拡大が可能となるため
である。
製品化、実用化されているプロジェクター用のハロゲン
ランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ・ク
セノンランプ等の高輝度ランプは長寿命確保と点灯安定
性向上の観点から、動的点灯条件変動を避けた一定発光
条件での使用が望ましいため、ランプ自体での光量制御
は殆ど行われていない。そのため、光量調整には別の調
光手段が必要となる。
入れた例として、先に示した米国特許5,053,93
4号明細書の場合、楕円反射傘を用いた集光照明タイプ
を用いており、これをパラボラ反射傘を用いた場合に適
用するには、凸レンズと組み合せ、同様に集光して使用
する場合に限定される。また、近年のデータプロジェク
ターで要求される画面の輝度均一性に対して、上記従来
例で開示する技術では、照明むらの除去が十分でなく、
現在、主流となるフライアイインテグレータとパラボラ
反射傘を使用した照明系には、直接使用できない。
束を平行化した後、フライアイインテグレータもしくは
マルチグラスロッドインテグレータで照明ムラを除去す
る半導体焼付け装置用照明装置の場合、楕円反射傘の楕
円第二焦点近傍に上記従来技術が適用できる。このよう
に上記米国特許5,053,934号明細書に開示する
技術を使用するには、一旦照明光を収束させ、収束点に
絞りを入れる構成となり、このような構成では唯一の照
明光軸に対して絞りを設置することとなるため、インテ
グレータ入射前の照明光路が長くなり、プロジェクター
機器の寸法が大きくなる。
っとも一般的で公知の手段である光彩絞り装置を組込む
ように構成した公知例が有る。この技術を近年の大光量
プロジェクター装置に適用する場合には、小絞り状態で
の遮光部材の発熱が大きくなるため、何らかの冷却、放
熱処置が必要となる。しかし、レンズ内の空間での冷却
手段の設置、放熱処理等の困難さから、光彩絞り装置を
組込む構成は一般化されていない。
つズーム可能なレンズを用いるのが一般のためにレンズ
内光路が太く、外周にはカム環が配置されるため、絞り
の配置スペースとしてのドーナツ状空間が十分に確保で
きず、また、配置スペースのためにカム環、そしてレン
ズ外径寸法が不要に太くなってしまう、という問題が生
じる。
にて実施可能な光量制御手段が無いため、大光量で均一
照明に向いた調光可能な照明装置が作れないのが現状で
ある。そのため、そのような照明装置を必要とする画像
投影装置の製造にあたり、環境光によるコントラスト比
劣化や再現可能階調数減少、即ち画像品位低下への対処
が困難となり、それに対処した高品位な画像投影装置が
作れないという問題が生じる。
る映画配信(デジタルシネマ)に移行する際、この分野
で使用する10000ANSIlmを超える明るさの画
像投影装置では、コントラスト比劣化や再現可能階調数
減少はフイルム映像の水準に対して大きく劣ることは、
有料映写を行うためには許されないので、上記画像品位
低下が避けられない現状の大型画像投影装置は、映画上
映のデジタル化に大きな支障を生じる。
スを増加することなく、安価な構成により階調性の改善
を実用的に可能とする照明光学系、該照明光学系を有す
る光学装置、特に高輝度化の進む大光量AVプロジェク
ター等の画像投影装置に好適な光学装置及び画像処理装
置を提供することを目的とするものである。
成するために、つぎの(1)〜(13)のように構成し
た照明光学系、該照明光学系を有する光学装置、画像処
理装置を提供するものである。 (1)複数の光束を形成し、これらの光束で照明を行う
照明光学系において、前記複数の光束の分離位置に各光
束のそれぞれに対応する可変絞りを備えた絞り手段を有
することを特徴とする照明光学系。 (2)前記複数の光束は、電極間での放電によるプラズ
マ発光光源からの照明光束が、反射傘を含む照明光束集
光手段を介して射出された後、照明光束分割手段によっ
て分割して形成された光束であることを特徴とする上記
(1)に記載の照明光学系。 (3)前記絞り手段は、前記複数の光束が分離状態にあ
る位置で移動する遮光板を用いた機械的可動絞り機構を
有することを特徴とする上記(2)に記載の照明光学
系。 (4)前記照明光束分割手段が、複数のレンズアレイを
光軸方向に並べたフライアイインテグレーターを有する
ことを特徴とする上記(2)または上記(3)に記載の
照明光学系。 (5)前記照明光束分割手段が、断面が多角形のカレイ
ドスコープ(ロッド型インテグレータ)及び該インテグ
レータからの複数の光束の夫々を相異なる位置に集光す
るレンズ系とを有することを特徴とする上記(2)また
は上記(3)に記載の照明光学系。 (6)前記機械的可動絞り機構は、前記複数の光束が収
束する位置の近傍にあることを特徴とする上記(5)に
記載の照明光学系。 (7)前記絞り手段は、前記多分割されそれぞれ集光さ
れる各光束のそれぞれと交錯する遮光部を有し、各遮光
部を光軸方向に進退することで交錯量を変化させること
によって遮光する量を変えることを特徴とする上記
(1)〜(6)のいずれかに記載の照明光学系。 (8)前記絞り手段は、相対移動可能な複数の絞り板を
有し、前記複数の光束の各中心光線に対して対称運動に
よって進退し、該複数の絞り板のそれぞれが有する複数
の開口部もしくは開口部形成用切り欠き部の重畳により
形成される合成開口によって各光束外周部より遮光量を
調整するように構成されていることを特徴とする上記
(1)〜(6)のいずれかに記載の照明光学系。 (9)前記フライアイインテグレータのレンズ群の配列
ピッチと適合させて配置され、特定の偏光方向の光を出
力する偏光変換素子を有し、前記絞り手段における遮光
に寄与していない部分の少なくとも一部を、前記偏光変
換素子ヘの入射光から不要光を除去するマスクとして構
成したことを特徴とする上記(1)〜(4)、(6)、
(7)のいずれかに記載の照明光学系。 (10)前記プラズマ発光光源が、ハロゲンランプ、メ
タルハライドランプ、水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、
クセノンランプのいずれかのランプによって構成されて
いることを特徴とする上記(1)〜(9)のいずれかに
記載の照明光学系。 (11)照明光学系を有する光学装置において、前記照
明光学系が上記(1)〜(10)のいずれかに記載の照
明光学系によって構成されていることを特徴とする光学
装置。 (12)画像投影装置であることを特徴とする上記(1
1)に記載の光学装置。 (13)上記(12)に記載の光学装置と該光学装置に
画像情報(データ)を入力する演算装置(コンピュータ
ー)とを有することを特徴とする画像処理装置。
上記構成を適用することにより、実用的に実施可能な光
量制御手段が得られ、従来例の画像投影装置の基本構
造、製造コスト、機器寸法に大きな変更を加える事無
く、前述した諸課題を解決することができる。また、高
輝度化の進むプロジェクターで必要性の増す調光装置
を、現在主流となるフライアイインテグレータとパラボ
ラ反射傘使用の照明系スペースを増加することなく、安
価な構成で実現可能とし、大光量AVプロジェクター
や、いわゆるデジタルシネマ用途での階調性改善を可能
とすることができる。また、上記した構成により、フラ
イアイインテグレータを用いた照明系を有する各種露
光、投影機器全般に於いて光源自体及び投射光学系内以
外での調光、光量制御が容易に実現可能となり、調光に
関る機器仕様の改善を容易に図ることが可能となる。
れそれぞれ並進分離状態にある軸上位置に、遮光板を用
いた機械的可動絞り機構を設けることにより、遮光板の
退避状態での配置を光束群間で共存可能とし、金属層で
遮光することで薄肉の素材でも広い波長範囲で高遮光率
が得られる。また、遮光による温度上昇に際しプラスチ
ック素材、セラミック素材よりも熱伝達効率が高いため
冷却容易となる。また、照明光束集光手段と照明光束分
割手段とを含む照明光学系を有する照明装置の照明系に
対して、光源自体での調光が困難な場合にも、照明光路
の外周への機構部材突出を最小限にとどめ、光路方向に
も薄型の絞り装置が組込み可能となり、装置寸法肥大化
を防止することができる。また、薄型絞り装置をユニッ
トとした場合、近接するレンズや光学部材の空気間隔に
配置が容易となり、また絞り機構周辺の構造体素材に絞
り機構を持たない従来照明系と同様の素材が適用可能と
なる。
ータにより多分割された光束が収束する位置の近傍に配
置することにより、絞り部材の開口と絞り開閉のストロ
ークを小さくすることができ、非開口部分の強度低下が
防止され、羽根駆動機構の設計自由度が増し、金属遮光
板を用いた機械的可動絞りにおいて、光束外退避状態で
の退避スペースにゆとりを持たせることができる。ま
た、該絞り機構をフライアイインテグレータにより分割
された光束群のそれぞれと交錯し、照明に有効な光束を
遮光量可変に進退可能に配置することにより、光量制御
が滑らかに行え、数光束群への同時進退が容易となり、
絞りが進退し光量制御に関与する光束分割数だけ遮光状
態が平均化され、調光時における照明状態を均一化する
ことが可能となる。
絞り板を有し、分割された光束群の各光軸に対し実質的
に対称運動にて進退し、該複数の絞り板それぞれが持つ
複数の開口部もしくは開口部形成用切り欠き部の重畳に
て形成される合成開口によって、各光束外周部より遮光
量を調整することにより、一層遮光状態が平均化され、
調光時照明状態を均一化することができる。また、理想
点光源位置からのずれの大きい光源部分からの光線、反
射傘の面精度の低い部分を経た光線から優先して遮光さ
れ、絞るほどに角度条件が限定度を増やすことができ
る。また照明ムラが少なく、光学要素の位置ばらつき、
部品精度での集光点位置ばらつきでの絞り効果変動が平
均化される。また、遮光位置が光束分割数に応じ複数生
じるため、遮光部材の発熱位置が分散されるため、冷却
条件が良くなり、熱変形強度を考慮した材料選定自由度
が増す。投射レンズへの光線入射角範囲が狭まり収差が
改善され、レンズ鏡筒内面反射、ガラスの面反射に起因
するフレア・ゴーストが減じる等のレンズ内絞りに類す
る効果を達成することができる。
から不要光を除去するマスクとして通常機能するように
構成すると、従来構成において元より発熱個所として冷
却可能構造で機器設計されることが多いので、そのよう
な場合に新たな発熱元となる絞り機構をここに構成して
も冷却構造に変更が不要となり、あるいは小な変更で済
み、また部材の増加を防ぐことができ製造コストが下が
り、スペース効率を上げることができる。また、プラズ
マ発光光源にハロゲンランプ、メタルハライドランプ、
各種水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、クセノンランプの
いずれかを用いることにより、ショートアーク化が可能
で、光利用効率を向上させることが容易な光源が使用可
能となる。
を用いた透過液晶三板式画像投影装置の基本構成を示す
図である。本実施例においては、従来例で説明した図6
において、フライアイ4と偏光変換素子5の間に設けら
れているマスクPSMに代えて、駆動モータユニット2
00を有する絞りユニット100を挿入した構成以外
は、基本的には図6と同様の構成を有している。
色光は、パラボラ反射傘2にて平行光として出射し、赤
外および紫外成分を除去するUV−IRカットフィルタ
UVIRを通過し、フライアイレンズ3、4、にて光束
分割される。それぞれの光束は第一のフライアイレンズ
3により第二のフライアイレンズ近傍にて収束する。光
束外で偏光変換素子の入射部外に向う不要光を絞りユニ
ット100の構成部材で遮光したのち偏光変換素子群5
に入射し、偏光ビームスプリッタにて紙面平行のP偏光
成分は透過分離され直進後、位相板にてS偏光に変換さ
れ出射する。同偏光ビームスプリッタにて反射分離され
たS偏光成分は続く反射面にて進路を元に戻し出射し、
結果として両分離成分ともにS偏光にて偏光方向がそろ
えられる。出射したS偏光の光束はコンデンサーレンズ
6等を通過した後、ダイクロイックミラーDM1によっ
て赤色帯域の光は透過し、緑から青色帯域光は反射され
る。光源としては、ハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプ、超高圧水銀ランプ等が使用され、色分離・合成光
学素子としては、ダイクロイックミラーが使用される実
施形態となっている。
色帯域光は全反射ミラーM1によって光路を90度変
え、フィールドレンズ7R、を介して液晶表示素子8R
に入射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変
調された光は、ダイクロイックプリズム9に入射し、ダ
イクロイックプリズム内で光路を90度変えて投射レン
ズ10に入射し、拡大投影されスクリーン11上に結像
される。一方、ダイクロイックミラーDM1によって反
射され、光路を90度変えた緑〜青色帯域光はダイクロ
イックミラーDM2に入射する。ダイクロイックミラー
DM2は緑色帯域光を反射する特性を有しているため、
ここで緑色帯域光は反射され、その光路を90度変え、
フィールドレンズ7G、を介して液晶表示素子8Gに入
射し、ここで入力信号に応じて光変調される。光変調さ
れた緑色帯域光はダイクロイックプリズム9、投射レン
ズ10の順に入射し、拡大投影されスクリーン11上に
結像される。
色帯域光は、レンズ7Bや全反射ミラー、M2、M3を
介して、液晶表示素子8Bに入射し、ここで入力信号に
応じて光変調される。光変調された青色帯域光は、ダイ
クロイックプリズム9に入射し、ダイクロプリズム9で
光路を90度変えて投射レンズに入射し拡大投影されス
クリーン11上に結像される。以上の構成により、3色
の投影像をスクリーン11上で重ね合せることで、カラ
ー画像が表示される。
説明するための図である。100は絞りユニット、11
0は絞り羽根1、120は絞り羽根2、130は絞りユ
ニット地板、200は絞り駆動モータユニットである。
絞りユニット100は、2枚の十分に平滑で反射率の高
い表面を持つ厚さ0.1MMの薄板ステンレス鋼板に、
紙面直交方向の長方形開口を、フライアイレンズの紙面
横方向でのフライアイレンズ配置ピッチに合せ複数設け
た、110及び120の絞り羽根1と2を有する。これ
ら2枚の絞り羽根は、絞り羽根と平行に設けた板状構造
体としての絞りユニット地板130に対し紙面平行方向
かつ互いに逆方向に所定範囲内を移動可能に保持され
る。同板状構造体には絞り駆動モータユニット200が
一体的に固定される。
ングモータを用いており、駆動回路210により2相駆
動され、コントローラ部220にて制御される。CPU
230は、CPUへの入力信号を所定のアルゴリズムを
用いて演算し、駆動信号をコントローラに出力する。駆
動ステップは調光範囲を3段(100%から12.5%
光量まで)とし、1段あたり16ステップ以上となるよ
う設定することで、官能的に円滑な光量変動動作を得
る。
リードスクリュー等を用いた機械的駆動力伝達手段によ
り該モータの駆動力にて、バックラッシュ除去バネ(不
図示)による一方向付勢力に抗して110及び120の
絞り羽根1と2をそれぞれ逆方向に往復移動することで
2枚の羽根の合成開口である長方形開口の幅を可変とし
ている。上記ステップ分割数実現に際し単純な2相駆動
では分解能が不足な場合には、各相をデューティー制御
し、そのデューティー比にて決定される2相の保持力バ
ランスで回転ステップ角内を更に内分した回転角分解能
を得る。
のリード角、ギア類の歯数、材質、精度等は、絞り寸方
と調光段数/必要分解能/必要駆動応答性、機器要求寿
命に応じた最適設計を行う際の選択決定項目となる。駆
動の基準位置は、前述の、絞り羽根駆動範囲を規定する
ために機械的なストッパを設けて、そこへの突き当て位
置に用いる。照明装置起動時に絞り羽根を開放方向へ最
大駆動量以上のパルス駆動をして位置初期化を行い、そ
の後オープンループ制御を行うことで、簡便な構成が得
られる。
200に用いることも容易である。この場合、初期位置
の確認と駆動量確認のためモニター手段を追加し位置制
御する。該モニター手段には、光学ないし、磁気エンコ
ーダを用い固定部対羽根1と2、もしくは羽根1と羽根
2の相対移動を直接的に検出するか、もしくは駆動系内
のいずれかの軸部回転数検知手段から間接的に検知する
か、またはシリコンフォトセル、フォトインタラプタな
どの光学センサにて絞り透過での光量変化と、少なくと
も相関性の高い光を検知した信号をフィードバックし制
御する。
明面との間の光路壁面照度、被照明面自体の照度を用
い、絶対的(光源の輝度変動を除外した)調光後光量を
検知したり、絞り羽根1と2、に公知の副絞り開口を追
加し、その合成開口透過光量を実際に調光に寄与する絞
り要素の合成開口透過光量の代用とし、フォトインタラ
プタで検知することで調光比率モニター信号を得る。
て相対変化を用いるかは照明装置の使用光源(経時変動
特性、寿命)、使用目的により適否判定する。本実施例
は液晶プロジェクターであるので、画像明るさを人間が
官能検知した結果が調光での評価基準となるため経時的
照度変化は目立たないため調光比率で制御する。これに
て合理的絞り制御が可能である。一方、照明装置を露光
装置等に用いる場合、絶対照度の再現性が重要仕様とな
るため、上記の内、絶対的(光源の輝度変動を除外し
た)調光後光量を検知する方式を用いる。なお、光源点
灯後所定の安定点灯待ち遅延時間の後でその時点の光量
を最高光量基準値(絞り開放位置)として記憶すること
で、絶対的(光源の輝度変動を除外した)調光後光量を
検知し比較演算すれば近似的な相対変化情報/信号が得
られるので代用絞り位置モニター信号発生手段として駆
動制御に使用しても良い。
置のフライアイレンズ近傍での光線状態と絞り羽根の関
係を示す模式図で、フライアイレンズ4近傍での光線状
態と絞り羽根の関係を示す模式平面図である。フライア
イレンズ群を構成するレンズアレイの対応する1コマづ
つを切出し示すものである。100は絞りユニット、1
10は絞り羽根1、120は絞り羽根2、130は絞り
ユニット地板である。フライアイレンズ3,4は同一の
凸パワーを持ち、それぞれの焦点面近傍に配置されてい
る。フライアイレンズ3に入射した概略平行な光線はフ
ライアイレンズ4近傍でビームウエストを作り射出後絞
りユニット開口を通過する。
面内を光軸に対してそれぞれ逆向きに平行移動し合成開
口幅を変化させることで通過光量を変動させる。110
と120の絞り羽根1と2は、軸上で異なる位置に存在
するため遮光量は軸上位置差に応じた不均等を生じるが
入射光束のなす錐体の頂角が鋭角なため上記位置差を小
さくすることで、実用上十分に均一な照明状態を維持し
つつ調光できる。
のフライアイインテグレータを用いた例では、絞り開放
での開口幅2.5mmに対して羽根厚さ0.1mm、羽
根間隔を0.1mmとしたとき、組込み寸法誤差と熱変
形誤差を含み、照明範囲最外周(100%)位置照度と
軸上照度との比率が開放状態での75%に対して、75
%光量遮光(2段絞り)状態では、おおむね55%以上
が確保可能である。中間の絞り状態、照明範囲の中間像
高ではそれぞれ滑らかな比例的挙動となるので、厳密な
投影焼付け装置の照明機構装置を除けば、問題無く適用
可能な水準といえる。なお、この照度比は、フライアイ
レンズの焦点位置に対する配置と絞り羽根位置により、
更に改善可能であるが、絞り均一性向上と開放での照明
効率向上のバランスを考慮し、各要素の軸上配置を決定
するとよい。
おけるインテグレータつき照明装置を用いた透過液晶三
板式画像投影装置の構成を示す図である。本実施例は、
実施例1と相違してフライアイ4の直前に駆動モータユ
ニット200を有する絞りユニット100を挿入すると
共に、図6の構成と同様にフライアイ4と偏光変換素子
5の間にマスクPSMを挿入して構成した点以外は、実
施例1の構成と基本的に同様の構成を有している。した
がって、実施例1と同様の構成についての説明は省略す
るが、図3で説明したように、ビームウエスト位置との
関係で絞り効率を改善するためや、機械的レイアウトの
都合で絞り位置を変更する場合に、本構成を採ることで
構成自由度が増す。
ける照明装置の調光機構部分の構成例を示す。図5は図
中、上方より、絞り開放状態側面図、組込み状態斜視
図、絞り込み状態側面図からなる。図5において、3は
第1フライアイレンズ、4は第2フライアイレンズ、1
00は絞りユニット、120は絞り羽根、130は絞り
ユニット地板、200は絞り駆動モータユニットであ
る。
で反射率の高い表面を持つ薄板ステンレス鋼板に、円形
開口を、フライアイレンズの並び方向でのフライアイレ
ンズ配置ピッチに合せ複数設け、板部にガイドバー嵌合
ガイド部140とリードネジ係合部150を設けた、絞
り羽根120を有する。この羽根120は、板状構造体
でありガイドバー141とリードスクリュウ151を光
軸平行に保持した絞りユニット地板130に対し、光軸
方向に所定範囲内を移動可能に保持される。絞りユニッ
ト地板130には絞り駆動モータユニット200が一体
的に固定される。
ングモータを用いており、先の実施例同様に駆動制御さ
れる。該モータの駆動力にて、バックラッシュ除去バネ
(不図示)による一方向付勢力に抗して穴のあいた羽根
を往復移動することで光束のなす錐体と穴部との交錯量
を可変として絞り効果を得ている。この実施例の場合、
移動量に対しての減光量敏感度が低くできるがその一方
で絶対的遮光量、即ち絞り段数を増やすには不向きであ
ることが図より容易に推察できる。よってこの実施例は
調光範囲を大きくする必要の無い用途で微妙な調光をす
る場合に好適である。
あるが、本実施例では、もともとフライアイレンズの空
気間隔として設けられた、分割された光束群収容空間を
羽根移動空間としているので、照明装置の寸方に悪影響
を与えることのない合理的配置を実現することができ
る。
ば、小スペースで階調を可能とする照明光学系、該照明
光学系を有する光学装置、特に大光量AVプロジェクタ
ー等に好適な光学装置または画像処理装置を実現するこ
とができる。
す図。
を説明するための図。
イレンズ近傍での光線状態と絞り羽根の関係を示す模式
図。
す図。
部分の構成例を示す図。
を示す図。
号明細書)の構成を示す図。
21)
成するために、つぎの(1)〜(13)のように構成し
た照明光学系、該照明光学系を有する光学装置、画像処
理装置を提供するものである。 (1)複数の光束を形成し、これらの光束で照明を行う
照明光学系において、前記複数の光束の分離位置に各光
束のそれぞれに対応する可変絞りを備えた絞り手段を有
することを特徴とする照明光学系。 (2)前記複数の光束は、電極間での放電によるプラズ
マ発光光源からの照明光束が、反射傘を含む照明光束集
光手段を介して射出された後、照明光束分割手段によっ
て分割して形成された光束であることを特徴とする上記
(1)に記載の照明光学系。 (3)前記絞り手段は、前記複数の光束が分離状態にあ
る位置で移動する遮光板を用いた機械的可動絞り機構を
有することを特徴とする上記(2)に記載の照明光学
系。 (4)前記照明光束分割手段が、複数のレンズアレイを
光軸方向に並べたフライアイインテグレータを有するこ
とを特徴とする上記(2)または上記(3)に記載の照
明光学系。 (5)前記照明光束分割手段が、断面が多角形のロッド
型インテグレータ(カレイドスコープ)及び該インテグ
レータからの複数の光束の夫々を相異なる位置に集光す
るレンズ系とを有することを特徴とする上記(2)また
は上記(3)に記載の照明光学系。 (6)前記機械的可動絞り機構は、前記複数の光束が収
束する位置の近傍にあることを特徴とする上記(5)に
記載の照明光学系。 (7)前記絞り手段は、前記多分割されそれぞれ集光さ
れる各光束のそれぞれと交錯する遮光部を有し、各遮光
部を光軸方向に進退することで交錯量を変化させること
によって遮光する量を変えることを特徴とする上記
(1)〜(6)のいずれかに記載の照明光学系。 (8)前記絞り手段は、相対移動可能な複数の絞り板を
有し、前記複数の光束の各中心光線に対して対称運動に
よって進退し、該複数の絞り板のそれぞれが有する複数
の開口部もしくは開口部形成用切り欠き部の重畳により
形成される合成開口によって各光束外周部より遮光量を
調整するように構成されていることを特徴とする上記
(1)〜(6)のいずれかに記載の照明光学系。 (9)前記フライアイインテグレータのレンズ群の配列
ピッチと適合させて配置され、特定の偏光方向の光を出
力する偏光変換素子を有し、前記絞り手段における遮光
に寄与していない部分の少なくとも一部を、前記偏光変
換素子ヘの入射光から不要光を除去するマスクとして構
成したことを特徴とする上記(1)〜(4)、(6)、
(7)のいずれかに記載の照明光学系。 (10)前記プラズマ発光光源が、ハロゲンランプ、メ
タルハライドランプ、水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、
クセノンランプのいずれかのランプによって構成されて
いることを特徴とする上記(1)〜(9)のいずれかに
記載の照明光学系。 (11)照明光学系を有する光学装置において、前記照
明光学系が上記(1)〜(10)のいずれかに記載の照
明光学系によって構成されていることを特徴とする光学
装置。 (12)画像投影装置であることを特徴とする上記(1
1)に記載の光学装置。 (13)上記(12)に記載の光学装置と該光学装置に
画像情報(データ)を入力する演算装置(コンピュータ
ー)とを有することを特徴とする画像処理装置。
絞り板を有し、分割された光束群の各光軸に対し実質的
に対称運動にて進退し、該複数の絞り板それぞれが持つ
複数の開口部もしくは開口部形成用切り欠き部の重畳に
て形成される合成開口によって、各光束外周部より遮光
量を調整することにより、一層遮光状態が平均化され、
調光時照明状態を均一化することができる。また、理想
点光源位置からのずれの大きい光源部分からの光線、反
射傘の面精度の低い部分を経た光線から優先して遮光さ
れ、絞るほどに角度条件の限定度を増やすことができ
る。また照明ムラが少なく、光学要素の位置ばらつき、
部品精度での集光点位置ばらつきでの絞り効果変動が平
均化される。また、遮光位置が光束分割数に応じ複数生
じるため、遮光部材の発熱位置が分散されるため、冷却
条件が良くなり、熱変形強度を考慮した材料選定自由度
が増す。投射レンズへの光線入射角範囲が狭まり収差が
改善され、レンズ鏡筒内面反射、ガラスの面反射に起因
するフレア・ゴーストが減じる等のレンズ内絞りに類す
る効果を達成することができる。
から不要光を除去するマスクとして通常機能するように
構成すると、従来構成において元より発熱個所として冷
却可能構造で機器設計されることが多いので、そのよう
な場合に新たな発熱元となる絞り機構をここに構成して
も冷却構造に変更が不要となり、あるいは小さな変更で
済み、また部材の増加を防ぐことができ製造コストが下
がり、スペース効率を上げることができる。また、プラ
ズマ発光光源にハロゲンランプ、メタルハライドラン
プ、各種水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、クセノンラン
プのいずれかを用いることにより、ショートアーク化が
可能で、光利用効率を向上させることが容易な光源が使
用可能となる。
を用いた透過液晶三板式画像投影装置の基本構成を示す
図である。本実施例においては、従来例で説明した図6
において、フライアイレンズ4と偏光変換素子5の間に
設けられているマスクPSMに代えて、駆動モータユニ
ット200を有する絞りユニット100を挿入した構成
以外は、基本的には図6と同様の構成を有している。
色光は、パラボラ反射傘2にて平行光として出射し、赤
外および紫外成分を除去するUV−IRカットフィルタ
UVIRを通過し、フライアイレンズ3、4にて複数光
束に分割される。それぞれの光束は第一のフライアイレ
ンズ3により第二のフライアイレンズ近傍にて収束す
る。光束外で偏光変換素子の入射部外に向う不要光を絞
りユニット100の構成部材で遮光したのち偏光変換素
子群5に入射し、偏光ビームスプリッタにて紙面平行の
P偏光成分は透過分離され直進後、位相板にてS偏光に
変換され出射する。同偏光ビームスプリッタにて反射分
離されたS偏光成分は続く反射面にて進路を元に戻し出
射し、結果として両分離成分ともにS偏光にて偏光方向
がそろえられる。出射したS偏光の光束はコンデンサー
レンズ6等を通過した後、ダイクロイックミラーDM1
によって赤色帯域の光は透過し、緑から青色帯域光は反
射される。光源としては、ハロゲンランプ、メタルハラ
イドランプ、超高圧水銀ランプ等が使用され、色分離・
合成光学素子としては、ダイクロイックミラーが使用さ
れる実施形態となっている。
説明するための図である。100は絞りユニット、11
0は絞り羽根1、120は絞り羽根2、130は絞りユ
ニット地板、200は絞り駆動モータユニットである。
絞りユニット100は、2枚の十分に平滑で反射率の高
い表面を持つ厚さ0.1mmの薄板ステンレス鋼板に、
紙面直交方向の長方形開口を、フライアイレンズの紙面
横方向でのフライアイレンズ配置ピッチに合せ複数設け
た、110及び120の絞り羽根1と絞り羽根2を有す
る。これら2枚の絞り羽根110,120は、絞り羽根
と平行に設けた板状構造体としての絞りユニット地板1
30に対し紙面平行方向かつ互いに逆方向に所定範囲内
を移動可能に保持される。同板状構造体には絞り駆動モ
ータユニット200が一体的に固定される。
リードスクリュー等を用いた機械的駆動力伝達手段によ
り該モータの駆動力にて、バックラッシュ除去バネ(不
図示)による一方向付勢力に抗して110及び120の
絞り羽根1と2をそれぞれ逆方向に往復移動することで
2枚の羽根110,120の合成開口である長方形開口
の幅を可変としている。上記ステップ分割数実現に際し
単純な2相駆動では分解能が不足な場合には、各相をデ
ューティー制御し、そのデューティー比にて決定される
2相の保持力バランスで回転ステップ角内を更に内分し
た回転角分解能を得る。
のリード角、ギア類の歯数、材質、精度等は、絞り寸方
と調光段数/必要分解能/必要駆動応答性、機器要求寿
命に応じた最適設計を行う際の選択決定項目となる。駆
動の基準位置は、前述の、絞り羽根駆動範囲を規定する
ために機械的なストッパを設けて、そこへの突き当て位
置に用いる。照明装置起動時に絞り羽根110,120
を開放方向へ最大駆動量以上のパルス駆動をして位置初
期化を行い、その後オープンループ制御を行うことで、
簡便な構成が得られる。
200に用いることも容易である。この場合、初期位置
の確認と駆動量確認のためモニター手段を追加し位置制
御する。該モニター手段には、光学ないし、磁気エンコ
ーダを用い固定部対羽根1と2、もしくは110の羽根
1と120の羽根2の相対移動を直接的に検出するか、
もしくは駆動系内のいずれかの軸部回転数検知手段から
間接的に検知するか、またはシリコンフォトセル、フォ
トインタラプタなどの光学センサにて絞り透過での光量
変化と、少なくとも相関性の高い光を検知した信号をフ
ィードバックし制御する。
明面との間の光路壁面照度、被照明面自体の照度を用
い、絶対的(光源の輝度変動を除外した)調光後光量を
検知したり、110及び120の絞り羽根1と2、に公
知の副絞り開口を追加し、その合成開口透過光量を実際
に調光に寄与する絞り要素の合成開口透過光量の代用と
し、フォトインタラプタで検知することで調光比率モニ
ター信号を得る。
置のフライアイレンズ4近傍での光線状態と絞り羽根の
関係を示す模式図で、フライアイレンズ4近傍での光線
状態と絞り羽根の関係を示す模式平面図である。フライ
アイレンズ群を構成するレンズアレイの対応する1コマ
づつを切出し示すものである。100は絞りユニット、
110は絞り羽根1、120は絞り羽根2、130は絞
りユニット地板である。フライアイレンズ3,4は同一
の凸パワーを持ち、それぞれの焦点面近傍に配置されて
いる。フライアイレンズ3に入射した概略平行な光線は
フライアイレンズ4近傍でビームウエストを作り射出後
絞りユニット開口を通過する。
面内を光軸に対してそれぞれ逆向きに平行移動し合成開
口幅を変化させることで通過光量を変動させる。110
と120の絞り羽根1と2は、軸上で異なる位置に存在
するため遮光量は軸上位置差に応じた不均等を生じるが
入射光束のなす錐体の頂角が鋭角なため上記位置差を小
さくすることで、実用上十分に均一な照明状態を維持し
つつ調光できる。
おけるインテグレータつき照明装置を用いた透過液晶三
板式画像投影装置の構成を示す図である。本実施例は、
実施例1と相違してフライアイレンズ4の直前に駆動モ
ータユニット200を有する絞りユニット100を挿入
すると共に、図6の構成と同様にフライアイレンズ4と
偏光変換素子5の間にマスクPSMを挿入して構成した
点以外は、実施例1の構成と基本的に同様の構成を有し
ている。したがって、実施例1と同様の構成についての
説明は省略するが、図3で説明したように、ビームウエ
スト位置との関係で絞り効率を改善するためや、機械的
レイアウトの都合で絞り位置を変更する場合に、本構成
を採ることで構成自由度が増す。
Claims (13)
- 【請求項1】複数の光束を形成し、これらの光束で照明
を行う照明光学系において、前記複数の光束の分離位置
に各光束のそれぞれに対応する可変絞りを備えた絞り手
段を有することを特徴とする照明光学系。 - 【請求項2】前記複数の光束は、電極間での放電による
プラズマ発光光源からの照明光束が、反射傘を含む照明
光束集光手段を介して射出された後、照明光束分割手段
によって分割して形成された光束であることを特徴とす
る請求項1に記載の照明光学系。 - 【請求項3】前記絞り手段は、前記複数の光束が分離状
態にある位置で移動する遮光板を用いた機械的可動絞り
機構を有することを特徴とする請求項2に記載の照明光
学系。 - 【請求項4】前記照明光束分割手段が、複数のレンズア
レイを光軸方向に並べたフライアイインテグレーターを
有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載
の照明光学系。 - 【請求項5】前記照明光束分割手段が、断面が多角形の
カレイドスコープ(ロッド型インテグレータ)及び該イ
ンテグレータからの複数の光束の夫々を相異なる位置に
集光するレンズ系とを有することを特徴とする請求項2
または請求項3に記載の照明光学系。 - 【請求項6】前記機械的可動絞り機構は、前記複数の光
束が収束する位置の近傍にあることを特徴とする請求項
5に記載の照明光学系。 - 【請求項7】前記絞り手段は、前記多分割されそれぞれ
集光される各光束のそれぞれと交錯する遮光部を有し、
各遮光部を光軸方向に進退することで交錯量を変化させ
ることによって遮光する量を変えることを特徴とする請
求項1〜6のいずれか1項に記載の照明光学系。 - 【請求項8】前記絞り手段は、相対移動可能な複数の絞
り板を有し、前記複数の光束の各中心光線に対して対称
運動によって進退し、該複数の絞り板のそれぞれが有す
る複数の開口部もしくは開口部形成用切り欠き部の重畳
により形成される合成開口によって各光束外周部より遮
光量を調整するように構成されていることを特徴とする
請求項1〜6のいずれか1項に記載の照明光学系。 - 【請求項9】前記フライアイインテグレータのレンズ群
の配列ピッチと適合させて配置され、特定の偏光方向の
光を出力する偏光変換素子を有し、前記絞り手段におけ
る遮光に寄与していない部分の少なくとも一部を、前記
偏光変換素子ヘの入射光から不要光を除去するマスクと
して構成したことを特徴とする請求項1〜4、6、7の
いずれか1項に記載の照明光学系。 - 【請求項10】前記プラズマ発光光源が、ハロゲンラン
プ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、超高圧水銀ラ
ンプ、クセノンランプのいずれかのランプによって構成
されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1
項に記載の照明光学系。 - 【請求項11】照明光学系を有する光学装置において、
前記照明光学系が請求項1〜10のいずれか1項に記載
の照明光学系によって構成されていることを特徴とする
光学装置。 - 【請求項12】画像投影装置であることを特徴とする請
求項11に記載の光学装置。 - 【請求項13】請求項12に記載の光学装置と該光学装
置に画像情報(データ)を入力する演算装置(コンピュ
ーター)とを有することを特徴とする画像処理装置。
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