JP2007101875A - 照明光学装置及び反射型画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２個あるいは３個の反射型光変調素子を有する反射型画像投射装置の照明光学系を、従来よりも一層省スペース化する。
【解決手段】Ｎ個（Ｎは２，３のうちのいずれかの値）の反射型光変調素子７，１１，１５を設け、各反射型光変調素子７，１１，１５からの反射光を合成して投射する反射型画像投射装置において、各反射型光変調素子７，１１，１５に対応するＮ個の単色光源１，２，３を備え、各単色光源１，２，３からの出射光を、合成することなく、対応する反射型光変調素子７，１１，１５に照射し、且つ、少なくとも２個の単色光源１，２からの出射光を、同一空間内で互いに交差させて、対応する反射型光変調素子７，１１に照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型画像投射装置用の照射光学装置及び反射型画像投射装置に関し、特に、反射型画像投射装置の小型化を図ったものに関する。

大画面の画像表示装置として、光源からの出射光を光変調素子に照射し、映像信号に応じて光変調素子によって変調した光を拡大して投射する装置である画像投射装置（プロジェクター）が普及している。

光変調素子は、照射光を透過させる透過型光変調素子（例えば透過型液晶パネル）と、照射光を反射する反射型光変調素子（例えば反射型液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device））とに大別される。本明細書では、反射型光変調素子を用いた画像投射装置を、反射型画像投射装置と呼ぶことにする。

反射型液晶パネルを用いた反射型画像投射装置としては、例えば、単一の白色光源を設けたものが従来から存在している（特許文献１参照）。図４は、そうした反射型画像投射装置の照明光学系を例示する図である。

光源である放電ランプ２０１から出射した白色光が、コリメータレンズ２０２，インテグレータを構成する第１及び第２のフライアイレンズ２０３及び２０４，偏光変換素子（例えばＳ偏光をＰ偏光に変換する素子）２０５，メインコンデンサーレンズ２０６を経て、青色反射ダイクロイックミラー２０７及び緑赤色反射ダイクロイックミラー２０８に入射する。

ダイクロイックミラー２０７及び２０８に入射した白色光のうちの赤色光成分は、ダイクロイックミラー２０８で反射され、全反射ミラー２０９で反射され、緑反射ダイクロイックミラー２１１を透過し、コンデンサーレンズ２１５を経てＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２１８で反射され、１／４波長板２１６を経て赤色用反射型液晶パネル２１７に照射される。

また、ダイクロイックミラー２０７及び２０８に入射した白色光のうちの緑色光成分は、ダイクロイックミラー２０８で反射され、全反射ミラー２０９で反射され、緑反射ダイクロイックミラー２１１で反射され、コンデンサーレンズ２１２を経てＰＢＳ２１９で反射され、１／４波長板２１４を経て緑色用反射型液晶パネル２１３に照射される。

また、ダイクロイックミラー２０７及び２０８に入射した白色光のうちの青色光成分は、ダイクロイックミラー２０７で反射され、全反射ミラー２１０で反射され、コンデンサーレンズ２２０を経てＰＢＳ２２３で反射され、１／４波長板２２１を経て青色用反射型液晶パネル２２２に照射される。

このようにして液晶パネル２１７，２１３，２２２に照射された赤色光，緑色光，青色光は、液晶層を通過した後背面側の反射層で反射され、再び液晶層を通過して液晶パネル２１７，２１３，２２２の前面から出射されるが、液晶層を通過する際にそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの映像信号に応じて変調される。

そして、液晶パネル２１７，２１３，２２２によって変調された赤色光，緑色光，青色光が、ＰＢＳ２１８，２１９，２２３を通過し、クロスプリズム２２４で合成されて、投射レンズ２２５からスクリーン（図示略）に投射される。

特開２００５−１０７５１１号公報（段落０００４〜７、図７）

しかし、この図４に示した照明光学系は、ダイクロイックミラー２０７，２０８，２１１や全反射ミラー２０９，２１０や偏光ビームスプリッタ２１８，２１９，２２３を含むことから、配置スペースが大きくなる。そのため、反射型画像投射装置の小型化を実現することが困難になる。

ここで、上記特許文献１でも開示されているように、偏光ビームスプリッタに代えて偏光ビームフィルタを用いるようにすれば、偏光ビームスプリッタを用いるよりも幾分照明光学系の配置スペースを小さくすることができる。しかし、その場合でもダイクロイックミラーや全反射ミラーは設けなければならないので、省スペース化に限界がある。

他方、反射型画像投射装置としては、単一の白色光源ではなく、互いに異なる色の複数の単色光源を設けたものも従来から提案されている。しかし、従来提案されているそうした反射型画像投射装置は、各単色光源からの出射光を合成して白色光を生成した後、その白色光を赤色光，緑色光，青色光に分離するものである。したがって、各単色光源からの出射光を合成するための光学素子を設けなければならないとともに、白色光を赤色光，緑色光，青色光に分離するためのダイクロイックミラーを設けなければならないので、省スペース化に限界がある。

本発明は、上述の点に鑑み、図４に例示したような３個の反射型光変調素子を有する反射型画像投射装置の照明光学系や、あるいは２個の反射型光変調素子（例えば、赤色及び青色用に兼用される反射型光変調素子と、緑色用の反射型光変調素子）を有する反射型画像投射装置の照明光学系を、従来よりも一層省スペース化することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、Ｎ個（Ｎは２，３のうちのいずれかの値）の反射型光変調素子を設けた反射型画像投射装置に用いる照明光学装置において、各反射型光変調素子に対応するＮ個の単色光源を備え、各単色光源からの出射光が、合成されることなく、対応する反射型光変調素子に照射され、且つ、少なくとも２個の単色光源からの出射光が、同一空間内で互いに交差して、対応する反射型光変調素子に照射されることを特徴とする。

また本発明は、Ｎ個（Ｎは２，３のうちのいずれかの値）の反射型光変調素子を設け、各反射型光変調素子からの反射光を合成して投射する反射型画像投射装置において、各反射型光変調素子に対応するＮ個の単色光源を備え、各単色光源からの出射光が、合成されることなく、対応する反射型光変調素子に照射され、且つ、少なくとも２個の単色光源からの出射光が、同一空間内で互いに交差して、対応する反射型光変調素子に照射されることを特徴とする。

本発明では、Ｎ個（２個あるいは３個）の反射型光変調素子を有する反射型画像投射装置に、各反射型光変調素子に対応するＮ個の単色光源が設けられる。そして、これらの単色光源からの出射光が、合成されることなく、対応する反射型光変調素子に照射される。

したがって、複数の単色光源を設けた従来の反射型画像投射装置（各単色光源からの出射光を合成して白色光を生成した後、その白色光を赤色光，緑色光，青色光に分離するもの）と異なり、各単色光源からの出射光を合成するための光学素子や、この白色光を赤色光，緑色光，青色光に分離するためのダイクロイックミラーが不要になる。

さらに、これらの単色光源のうち、少なくとも２個の単色光源からの出射光は、同一空間内で互いに交差して、対応する反射型光変調素子に照射される。このように、別々の単色光源からの出射光の光路を同一空間内で重ねることにより、３個あるいは２個の反射型光変調素子を有する反射型画像投射装置の照明光学系を、従来よりも一層省スペース化することができる。

本発明によれば、３個あるいは２個の反射型光変調素子を有する反射型画像投射装置の照明光学系を、従来よりも一層省スペース化することができ、したがって、こうした反射型画像投射装置のより一層の小型化を実現することができるという効果が得られる。

以下、赤色用，緑色用，青色用の３個の反射型液晶パネルを有する反射型画像投射装置に本発明を適用した例について、図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明を適用した反射型画像投射装置の照明光学系を示す図である。この照明光学系には、それぞれ赤色，緑色，青色の単色光源を内蔵した３つのイルミネータ１，２，３が設けられている。

図２は、これらのイルミネータの内部構造を示す図である。Ｐ偏光を出射する偏光特性を有するレーザー発振器２１（イルミネータ１では赤色レーザーの発振器、イルミネータ２では緑色レーザーの発振器、イルミネータ３では青色レーザーの発振器）から出射したレーザー光が、収束レンズ２２で収束された後拡散されて、ロッドインテグレータ２３（透明材料からなる角柱状の光学素子）の一端に入射する。

ロッドインテグレータ２３に入射したレーザー光は、ロッドインテグレータ２３内で反射を繰り返すことにより光束の中心部と周辺部との照度を均一化され、ロッドインテグレータ２３の他端からイルミネータの外部に出射される。

図１に示すように、イルミネータ１から出射した赤色光（Ｐ偏光）は、コンデンサーレンズ４，コンデンサーレンズ５で順に集光された後、コンデンサーレンズ５に対して約４５°傾けて配置された偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）６に入射する。

ＰＢＦ６は、Ｐ偏光を通過させ、Ｓ偏光を反射するように設定されている（後述のＰＢＦ１０及び１４も同じである）。コンデンサーレンズ５からＰＢＦ６に入射した赤色光は、ＰＢＦ６を通過して、赤色用反射型液晶パネル７に照射される。

また、イルミネータ２から出射した緑色光（Ｐ偏光）は、コンデンサーレンズ８，コンデンサーレンズ９で順に集光された後、コンデンサーレンズ９に対して約４５°傾けて配置されたＰＢＦ１０に入射する。そして、ＰＢＦ１０を通過して、緑色用反射型液晶パネル１１に照射される。

また、イルミネータ３から出射した青色光（Ｐ偏光）は、コンデンサーレンズ１２，コンデンサーレンズ１３で順に集光された後、コンデンサーレンズ１３に対して約４５°傾けて配置されたＰＢＦ１４に入射する。そして、ＰＢＦ１４を通過して、青色用反射型液晶パネル１５に照射される。

ここで、赤色用の光学系であるコンデンサーレンズ４及び５と、緑色用の光学系であるコンデンサーレンズ８及び９とは、コンデンサーレンズ４から出射してコンデンサーレンズ５に向かう光束と、コンデンサーレンズ８から出射してコンデンサーレンズ９に向かう光束とが、同一空間内で互いに交差するような位置関係で配置されている。

したがって、イルミネータ１から出射した赤色光と、イルミネータ２から出射した緑色光とは、この同一空間内で互いに交差して、それぞれ赤色用反射型液晶パネル７，緑色用反射型液晶パネル１１に照射される。

このように、この反射型画像投射装置では、３個の液晶パネル７，１１，１５に対応して３個の単色光源（イルミネータ１，２，３中のレーザー発振器）が設けられる。そして、これらの単色光源からの出射光が、合成されることなく、対応する液晶パネル７，１１，１５に照射される。

したがって、複数の単色光源を設けた従来の反射型画像投射装置（各単色光源からの出射光を合成して白色光を生成した後、その白色光を赤色光，緑色光，青色光に分離するもの）と異なり、各単色光源からの出射光を合成するための光学素子や、この白色光を赤色光，緑色光，青色光に分離するためのダイクロイックミラーが不要になる。

さらに、これらの単色光源のうち、液晶パネル７，１１に対応する２個の単色光源（イルミネータ１，２中のレーザー発振器）からの出射光は、同一空間内で互いに交差して、液晶パネル７，１１に照射される。このように、別々の単色光源からの出射光の光路を同一空間内で重ねることにより、３個の反射型液晶パネルを有する反射型画像投射装置の照明光学系を、従来よりも一層省スペース化することができる。

なお、反射型画像投射装置から投影される画像の輝度を高くするために、この照明光学系は、Ｆナンバーが約２．５という比較的小さな値になっている。そのため、液晶パネル７，１１，１５に照射される光の光束角は、約１１．５度という比較的大きな角度になっている。そして、コンデンサーレンズ５，９，１３としては、入射光を約１５°曲げた方向に出射する偏心レンズが用いられている。

このような偏心レンズを用いる理由は、次の通りである。照明光学系を省スペース化するためには、液晶パネル７・コンデンサーレンズ５間の距離や、液晶パネル１１・コンデンサーレンズ９間の距離や、液晶パネル１５・コンデンサーレンズ１３間の距離を短くすることが望ましい。しかし、前述のように液晶パネル７，１１，１５に照射される光の光束角を大きくしているので、通常のコンデンサーレンズを用いたままこの距離を短くすると、液晶パネルで光がケラレてしまう。

そこで、偏心レンズを用いることにより、照明光学系の省スペース化と、液晶パネル７，１１，１５に照射される光の光束角の拡大（画像の高輝度化）とを両立させている。

このようにして液晶パネル７，１１，１５に照射された赤色光，緑色光，青色光は、液晶層を通過した後背面側の反射層で反射され、再び液晶層を通過して液晶パネル７，１１，１５の前面から出射されるが、液晶層を通過する際にそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの映像信号に応じて変調される（映像信号が黒レベルの時にはＰ偏光のまま液晶パネル７，１１，１５から出射され、映像信号が白レベルの時にはＳ偏光に変換されて液晶パネル７，１１，１５から出射される）。

そして、液晶パネル７，１１，１５から出射された赤色光，緑色光，青色光のうちのＳ偏光成分が、それぞれＰＢＦ６，１０，１４で反射され、クロスプリズム１６で合成されて、投射レンズ（図示略）からスクリーン（図示略）に投射される。

図３は、照明光学系の設置スペースを対比するために、図１の照明光学系において光源を単一の白色光源に置き換えた（コンデンサーレンズ５，９，１３よりも光源寄りの部分を、単一の白色光源用の光学系に置き換えた）例を示す図である。この図３において、図１と共通する部分（コンデンサーレンズ５，９，１３から後段の部分）には同一符号を付して重複説明を省略する。

この図３の照明光学系では、光源である放電ランプ３１から出射した白色光が、コリメータレンズ３２，インテグレータを構成する第１及び第２のフライアイレンズ３３及び３４，偏光変換素子（Ｓ偏光をＰ偏光に変換する素子）３５，メインコンデンサーレンズ３６を経て、緑赤色反射ダイクロイックミラー３７及び青色反射ダイクロイックミラー３８に入射する。

ダイクロイックミラー３７及び３８に入射した白色光のうちの赤色光成分は、ダイクロイックミラー３７で反射され、全反射ミラー３９で反射され、緑反射ダイクロイックミラー４０を透過し、コンデンサーレンズ５を経てＰＢＦ６に入射する。

また、ダイクロイックミラー３７及び３８に入射した白色光のうちの緑色光成分は、ダイクロイックミラー３７で反射され、全反射ミラー３９で反射され、緑反射ダイクロイックミラー４０で反射され、コンデンサーレンズ９を経てＰＢＦ１０に入射する。

また、ダイクロイックミラー３７及び３８に入射した白色光のうちの青色光成分は、ダイクロイックミラー３８で反射され、全反射ミラー４１で反射され、コンデンサーレンズ１３を経てＰＢＦ１４に入射する。

この図１と図３との対比から明らかなように、本発明を適用した反射型画像投射装置では、照明光学系のうちコンデンサーレンズ５，９，１３よりも光源寄りの部分が、従来よりも大幅に省スペース化される。

なお、以上の例では単色光源としてレーザー発振器を用いているが、別の例として、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）を単色光源として用いてもよい。

また、以上の例では、赤色用反射型液晶パネル，緑色用反射型液晶パネル，青色用反射型液晶パネルという３個の反射型液晶パネルを有する反射型画像投射装置に本発明を適用している。しかし、これに限らず、２個の反射型液晶パネル（例えば、赤色及び青色用に兼用される反射型液晶パネルと、緑色用の反射型液晶パネル）を有する反射型画像投射装置において、この２個の反射型液晶パネルに対応する２個の単色光源を設け、それらの単色光源からの出射光が、同一空間内で互いに交差して、対応する反射型液晶パネルに照射されるようにしてもよい。

また、以上の例では、反射型液晶パネルを用いた反射型画像投射装置に本発明を適用している。しかし、これに限らず、例えばＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を反射型光変調素子として用いた反射型画像投射装置にも本発明を適用してよい。

また、本発明におけるような構成の照明光学装置は、透過型光変調素子（例えば透過型液晶パネル）を用いた画像投射装置にも適用してよい。

本発明を適用した反射型画像投射装置の照明光学系を示す図である。 図１のイルミネータの構造を示す図である。 図１の照明光学系の光源を単一の白色光源に置き換えた例を示す図である。 従来の反射型画像投射装置の照明光学系を例示する図である。

符号の説明

１，２，３ イルミネータ、 ４，５，８，９，１２，１３ コンデンサーレンズ、 ６，１０，１４ 偏光ビームフィルタ（ＰＢＦ）、 ７ 赤色用反射型液晶パネル、 １１ 緑色用反射型液晶パネル、 １５ 青色用反射型液晶パネル、 ２１ レーザー発振器、 ２２ 収束レンズ、 ２３ ロッドインテグレータ

Claims (8)

1. Ｎ個（Ｎは２，３のうちのいずれかの値）の反射型光変調素子を設けた反射型画像投射装置に用いる照明光学装置において、
   各々の前記反射型光変調素子に対応する前記Ｎ個の単色光源
   を備え、
   各々の前記単色光源からの出射光が、合成されることなく、対応する前記反射型光変調素子に照射され、
   且つ、少なくとも２個の前記単色光源からの出射光が、同一空間内で互いに交差して、対応する前記反射型光変調素子に照射される
   ことを特徴とする照明光学装置。
2. 請求項１に記載の照明光学装置において、
   各々の前記単色光源からの出射光を、対応する前記反射型光変調素子に導く光学素子として、偏心光学素子を設けたことを特徴とする照明光学装置。
3. 請求項２に記載の照明光学装置において、
   各々の前記単色光源からの出射光を集光するレンズとして、偏心レンズを設けたことを特徴とする照明光学装置。
4. 請求項１に記載の照明光学装置において、
   前記反射型光変調素子は、反射型液晶パネルであり、
   各々の前記反射型液晶パネルに対応する偏光分離素子として、偏光ビームフィルタを設けたことを特徴とする照明光学装置。
5. Ｎ個（Ｎは２，３のうちのいずれかの値）の反射型光変調素子を設け、各々の前記反射型光変調素子からの反射光を合成して投射する反射型画像投射装置において、
   各々の前記反射型光変調素子に対応する前記Ｎ個の単色光源
   を備え、
   各々の前記単色光源からの出射光が、合成されることなく、対応する前記反射型光変調素子に照射され、
   且つ、少なくとも２個の前記単色光源からの出射光が、同一空間内で互いに交差して、対応する前記反射型光変調素子に照射される
   ことを特徴とする反射型画像投射装置。
6. 請求項５に記載の反射型画像投射装置において、
   各々の前記単色光源からの出射光を、対応する前記反射型光変調素子に導く光学素子として、偏心光学素子を設けたことを特徴とする反射型画像投射装置。
7. 請求項６に記載の反射型画像投射装置において、
   各々の前記単色光源からの出射光を集光するレンズとして、偏心レンズを設けたことを特徴とする反射型画像投射装置。
8. 請求項５に記載の反射型画像投射装置において、
   前記反射型光変調素子は、反射型液晶パネルであり、
   各々の前記反射型液晶パネルに対応する偏光分離素子として、偏光ビームフィルタを設けたことを特徴とする反射型画像投射装置。

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