JP4104578B2 - プロジェクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を映像信号に応じて変調しスクリーンに投影する投射型のプロジェクタ装置に関する。

投射型のプロジェクタ装置として、たとえば以下の特許文献１に示す技術が公知である。かかるプロジェクタ装置は、光源として、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光を出射する３つの半導体レーザを配し、映像信号に応じて各色のレーザ光を光変調した後、これらをダイクロイックミラーで合成し、投影レンズでスクリーン上に投影するものである。レーザ光に対する光変調は、空間光変調器を用いて行われている。

この他、単一光源からの光をフライホイールにて時分割的に３原色化した後、映像信号に応じて光変調しスクリーンに投影する技術もある。
特開平１１−６４７８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術によれば、３原色のレーザ光毎に光学部品や空間光変調器が必要となるため、部品点数の増加およびコストの上昇を招く。また、レーザ光毎に光路を確保する必要があるため、装置形状の大型化が引き起こされる。

また、フライホイールを用いる場合には、単一光源からの光を時分割的に３原色化するものであるため、光の利用効率が低下し、照度不足あるいは消費電力の増加等の問題が生じる。

そこで、本発明は、部品点数の増加および装置形状の大型化を抑制しながら、光の利用効率を増大させ得るプロジェクタ装置を提供することを課題とする。

第１の発明に係るプロジェクタ装置は、光源と、光源からの光をプリズムの色分散によって３原色に分離する光分離手段と、分離された各色の光を映像信号に基づいて変調する光変調手段と、変調された各色の光をプリズムの色分散によって再合成する光合成手段と、合成された光をスクリーン上に投影する投影手段とを有することを特徴とする。

第２の発明に係るプロジェクタ装置は、前記第１の発明において、前記光分離手段は、平面状に配列されたレンズ群を具備するとともに前記光源から入射された光のうち各レンズに入射された部分光束に光収束作用を付与する第１のレンズアレイと、該レンズアレイによって収束されたそれぞれの光束を色分散作用によって３原色の光に分離する第１のプリズムを有しており、また、前記光合成手段は、前記第１のプリズムによって分離された各色の光を色分散作用によって分離前の光束に合成する第２のプリズムと、合成されたそれぞれの光束に対し前記第１のレンズアレイによる光収束作用を補正する光学作用を付与する第２のレンズアレイを有していることを特徴とする。

第３の発明に係るプロジェクタ装置は、前記第２の発明において、前記光変調手段は、前記各色の光の収束位置に対応して配列された一群の光変調素子からなる光変調アレイを具備することを特徴とする。

第４の発明に係るプロジェクタ装置は、前記第３の発明において、前記光変調アレイは、前記各色の光を前記映像信号に基づいて遮光するシャッターアレイを備えることを特徴とする。

第５の発明に係るプロジェクタ装置は、前記第４の発明において、前記シャッターアレイは、液晶素子またはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子によって構成されていることを特徴とする。

第６の発明に係るプロジェクタ装置は、前記第２乃至第５の発明の何れかにおいて、前記第１のプリズムおよび第２のプリズムには、入射された光束に対して色分散作用を付与する断面鋸状の傾斜面が形成されており、前記第１のレンズアレイによって収束された一群の光束のうち隣り合う所定数の光束が一つの傾斜面に入射されるよう、前記傾斜面の幅寸法が設定されていることを特徴とする。

本発明の特徴は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施形態は、あくまでも、本発明の一実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施形態に記載されたものに制限されるものではない。

なお、上記第２発明の構成要件である第１のプリズムと第２のプリズムは、以下の実施の形態では、第１のプリズムアレイ１３と第２のプリズムアレイ１５として記載されている。

本発明によれば、光源からの光をプリズムによる色分散によって３原色に分離し、分離した各色の光に光変調を付与した後、再び、プリズムによる色分散によって３原色の光を合成するものであるから、３原色毎に半導体レーザとその光路および光学系を準備する必要がなく、よって、部品点数の削減および装置形状の小型化を図ることができる。

また、上記フライホイールを用いた従来技術のように光源からの光を時分割的に３原色化するものではなく、プリズムによる色分散によって３原色に光路分割するものであるから、光の利用効率が低下することはなく、低消費電力にて十分な照度の光をスクリーンに投影することができる。

この他、本発明の作用効果は、以下に示す実施形態の説明にて明瞭に把握されよう。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。

まず、図１に実施の形態に係るプロジェクタ装置の構成（光学系）を示す。図示の如く、当該プロジェクタ装置は、光源１０と、コリメートレンズ１１と、第１のレンズアレイ１２と、第１のプリズムアレイ１３と、シャッターアレイ１４と、第２のプリズムアレイ１５と、第２のレンズアレイ１６と、投影レンズ１７から構成されている。

光源１０は、たとえば、自然光を発光するランプと、ランプからの光を前方（コリメータレンズ１１方向）に効率よく導くための反射板から構成されている。光源１０からの光は、コリメートレンズ１１によって平行光とされ、第１のレンズアレイ１２に入射される。

図２に示す如く、第１のレンズアレイ１２には、マイクロレンズ１２１が互いに隣接するよう行および列状に配列されている。マイクロレンズ１２１の焦点距離はすべて同じに設定されている。コリメートレンズ１１から入射された光のうち、それぞれのマイクロレンズ１２１に入射された部分光束は、マイクロレンズ１２１によって収束された後、第１のプリズムアレイ１３に入射される。

図２に示す如く、第１のプリズムアレイ１３は、プリズム１３１とプリズム１３２にて構成されている。プリズム１３１とプリズム１３２は、一定の間隔（空気）をおいて対向配置されている。第１のプリズム１３１には、光の出射側に断面鋸状のプリズム面１３１ａが形成されている。また、第２のプリズム１３２には、光の入射側に断面鋸状のプリズム面１３２ａが形成されている。これらプリズム面１３１ａ、１３１ｂは、同一形状で、且つ、傾斜方向が逆になっている。プリズム面１３１ａ、１３１ｂの傾斜角は、全て同一角度に設定されている。なお、プリズム１３１とプリズム１３２は同一の材料にて形成されており両者の屈折率は同一である。

図３に、プリズム面１３１ａ、１３２ａによる色分散作用を示す。なお、同図には、便宜上、プリズム１３１、１３２に形成された一連のプリズム面のうち一つのプリズム面のみを図示してある。

マイクロレンズ１２１によって収束された部分光束がプリズム面１３１ａに入射されると、プリズム１３１内の屈折率と外部（空気）の屈折率の相違により、プリズム面１３１ａによって光束が屈折されて外部に出射される。ここで、プリズム面１３１ａによる屈折角は波長毎に相違するため、自然光のうち、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色の光束は、図示の如く、それぞれ異なる屈折角にて、外部（空気）に出射される。

これら３原色の光束が対向配置されたプリズム面１３２ａに入射されると、プリズム面１３２ａによって屈折される。ここで、プリズム面１３１ａとプリズム面１３２ａは平行で、且つ、プリズム１３１とプリズム１３２の屈折率は同じであるため、プリズム面１３２ａによって屈折された３原色の光束は、互いに平行となり、何れも、プリズム１３１への入射光束と同一の方向に進行する。

かかる光学作用により、プリズム１３２を透過した後の各色の光束は、一定の光軸ギャップＤ１、Ｄ２を持つこととなる。ここで、光軸ギャップＤ１、Ｄ２は、プリズム１３１、１３２の屈折率とプリズム面１３１ａ、１３２ａの傾斜角θによる角色の光束の屈折角と、プリズム１３１、１３２の配置間隔Ｄ０に依存する。配置間隔Ｄ０を大きくするほど、光軸ギャップＤ１、Ｄ２は大きくなる。

図１に戻り、このようにして光路分割された３原色の光束は、シャッターアレイ１４に入射され変調される。このとき、各色の光束は、上記の如く、マイクロレンズ１２１によって収束作用を受けている。シャッターアレイ１４は、それぞれのシャッター素子が各色の光束を個別に受光できるよう、これら光束の収束位置近傍に配置されている。

図４に、シャッターアレイ１４による光変調作用を示す。なお、同図には、マイクロレンズ１２１、プリズム１３１、プリズム１３２、シャッターアレイ１４の位置関係が模式的に示されている。また、図中、赤色光束は実線、緑色光束は点線、青色光束は一点鎖線で示されている。

マイクロレンズ１２１によって収束作用を受けた部分光束は、上記のようにプリズム１３１、１３２によって３原色に分離された後、それぞれ、シャッターアレイ１４のシャッター素子１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃに収束される。シャッター素子１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃは、それぞれ、再生画像フレームの赤色画素、緑色画素、青色画素に対応している。それぞれのシャッター素子は、映像信号に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。３原色の光束は、シャッター素子がＯＮの間だけ、シャッター素子を透過する。１フレーム期間における各シャッター素子のＯＮ期間の長さによって、各画素色の強弱が制御される。シャッター素子１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃは、たとえば、液晶素子を用いて構成することができる。

なお、同図では、３列分のマイクロレンズ１２１が一つのプリズム面１３１ａに対応配置されるよう、プリズム面１３１ａの幅寸法が設定されている。これに対応してプリズム面１３２ａも、３列分の３原色光束が一つのプリズム面１３２ａに入射されるよう幅寸法が設定されている。一つのマイクロレンズ１２１は、シャッター素子１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃを一つずつ含む画素セットに対応して配置されている。マイクロレンズ１２１の焦点距離と、上述したプリズム１３１、１３２による３原色間の光軸ギャップＤ１、Ｄ２の大きさは、これら３原色の光束が一つの画素セット中のシャッター素子１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃに適正に収束されるように調整・設定されている。

図１に戻り、シャッターアレイ１４を透過した３原色の光束は、第２のプリズムアレイ１５によって合成され、もとの光束に戻される。そして、第１のレンズアレイ１２によって付与された光収束作用が、第２のプリズム１５の出射面に配された第２のレンズアレイ１６によって補正され平行光に変換される。

第２のプリズムアレイ１５と第２のレンズアレイ１６からなるアセンブリの構成は、上述した第１のプリズムアレイ１３と第１のレンズアレイ１２からなるアセンブリの構成と同じである。両アセンブリは、シャッターアレイ１４上の光束収束面を挟んで対称となるよう配置されている。これにより、第１のプリズムアレイ１３と第１のレンズアレイ１２からなるアセンブリによって導入された光学作用が、第１のプリズムアレイ１３と第１のレンズアレイ１２からなるアセンブリによって、もとに戻される。

しかして、シャッターアレイ１４によって各画素位置の光が変調された平行光が投影レンズ１７に入射されスクリーン上に投射される。これにより、スクリーン上に、映像信号に応じた映像が投影される。

本実施の形態によれば、光源１０からの光を第１のプリズムアレイ１３による色分散によってＲ、Ｇ、Ｂの３原色に分離し、分離した各色の光にシャッターアレイ１４によって光変調を付与した後、再び、第２のプリズムアレイ１５による色分散によってもとの光に合成するものであるから、上記従来技術（特許文献１）のように３原色毎に半導体レーザとその光路および光学系を準備する必要がなく、よって、部品点数の削減および装置形状の小型化を図ることができる。

また、プリズムによる色分散によって３原色に光路分割するものであるから、上記フライホイールを用いた従来技術のように光の利用効率が低下することはなく、低消費電力にて十分な照度の光をスクリーンに投影することができる。

さらに、上記実施の形態では、第１のレンズアレイ１２を配することによって、３原色の光束を、フレーム画素に対応して配置されたスイッチング素子１４１ａ、１４１ｂ、１４１ｃに分離して収束させるよう構成したことから、３原色の光束をフレーム画素毎に変調させることができ、よって、高細度の映像をスクリーン上に投影することができる。

このように、本実施の形態によれば、部品点数およびコストの削減、装置形状の小型化、消費電力の低減を図りながら、高精細の映像再生を実現することができる。

なお、上記実施の形態では、シャッターアレイ１４を透過型としたが、これを反射型として構成することもできる。この場合、シャッターアレイ１４は、ＭＥＭＳ技術を用いた既存のＤＭＳ（Digital Micro-mirror System）を用いて構成することができる。

図５に、かかる場合の構成例を示す。

本構成例では、光源として面発光レーザアレイ３０が用いられている。かかる面発光レーザアレイ３０は、赤色レーザ光、緑色レーザ光、青色レーザ光を出射するレーザ素子群を、各色のレーザ光が均等に混じるようにマトリックス状に配置して構成したものである。各レーザ素子から出射されるレーザ光は互いに偏光面が平行となるよう調整されている。

面発光レーザアレイ３０から出射される光は、偏光ビームスプリッタ（偏光ＢＳ）２１に入射される。偏光ＢＳ２１は、面発光レーザアレイ３０から入射される光をほぼ全透過するよう調整されている。偏光ＢＳ２１を透過した光は、λ／４板２２によって円偏光に変換された後、第１のレンズアレイ１２に入射される。

しかして、第１のレンズアレイ１２に入射された光は、上記の如く、第１のレンズアレイ１２によって収束作用を受けた後、第１のプリズムアレイ１３によって３原色に分離され、シャッターアレイ２３上に収束される。かかるシャッターアレイ２３には、上記と同様、フレーム画像の画素位置に対応してシャッター素子群が配置されている。本構成例では、シャッター素子群は、光反射型の素子（ＤＭＳ）によって構成されている。なお、ＤＭＳの構成は、たとえば、特開平５−１５０１７３号公報に記載されている。ＤＭＳは、投射型プロジェクタ装置において既に用いられている技術である。

図６に、ＤＭＳを用いてシャッターアレイ２３を構成した場合の構成例を示す。同図は、シャッターアレイ２３のうち、一つのシャッター素子の構成が分かるよう前側を切り欠いて図示したものである。

図において、梁部２３３と板状部２３４ａ、２３４ｂの上面は、ミラー面２３１となっている。また、一対の板状部２３４ａ、２３４ｂに対向して電極２３２ａ、２３２ｂが配置されている。

たとえば、一対の板状部２３４ａ、２３４ｂをマイナス電位に保ったまま電極２３２ａにプラス電位を印加すると、板状部２３４ａと電極２３２ａ間に引き合い方向のクーロン力が発生する。このとき、電極２３２ｂにマイナス電位を印加すると、板状部２３４ｂと電極２３２ｂ間に反発方向のクーロン力が発生する。

かかるクーロン力によって、ミラー面２３１は、梁部２３３を軸として、同図の下向き矢印方向に回動する。一対の板状部２３４ａ、２３４ｂに上記とは逆極性の電位を印加した場合には、ミラー面２３１は、梁部２３３を軸として、同図の上向き矢印方向に回動する。

このようにして、ミラー面２３１を傾けることにより、ミラー面２３１上に収束される光の反射方向を側方にそらすことができる。

同図に示すシャッター素子は、上記の如く、フレーム画像の画素位置に対応して配されており、それぞれ、３原色の光束が収束される。よって、３原色の光束は、シャッター素子がＯＮの間（ミラー面が傾いていない間）だけ、入射光路に逆行する方向に反射され、ＯＦＦに間（ミラー面が傾けられている間）は側方に蹴られる。１フレーム期間における各シャッター素子のＯＮ期間の長さによって、各画素色の強弱が制御される。

図５に戻り、シャッターアレイ２３によって反射された３原色の光束は、入射光路を逆行することによって元の光束に戻される。すなわち、第１のプリズムアレイ１３を逆行することにより３原色の光がもとの光束に合成され、また、第１のレンズアレイ１２を逆行することにより平行光に戻される。さらに、λ／４板２２によって、偏光面が入射時の偏光面に直行するよう回転され、偏光ＢＳ２１によってほぼ全反射される。そして、投影レンズ１７によって、スクリーン上に投射される。

本構成例によれば、上記実施の形態に比べ、第２のプリズムアレイ１５と第２のレンズアレイ１６からなるアセンブリを削減できる。なお、液晶素子に比べＤＭＳは１素子の寸法を小さくできるので、シャッターアレイ２３の小型・集積化を図りやすい。よって、プリズム間の距離Ｄ０（図３参照）を小さくし、光軸間ギャップＤ１、Ｄ２を小さくしても、３原色の光束を対応するシャッター素子にて受光することができる。よって、本構成例では、プリズム間の距離Ｄ０の減少による光学系寸法の削減を図ることができる。なお、この場合、第１のレンズアレイ１２とシャッターアレイ２３の間の距離が小さくなるため、第１のレンズアレイ１２に配されたマイクロレンズ１２１の焦点距離を小さくすることができる。

ところで、上記実施の形態では、プリズム１３１、１３２に、複数のプリズム面１３１ａ、１３２ａを形成するようにしたが、図７および図８に示す如く、プリズム４０１、４０２に一つのプリズム面４０１ａ、４０２ａのみを形成し、このプリズム面にて、全ての光束（マイクロレンズ群によって収束される全ての部分光束）の色分離を行うようにすることもできる。この場合、第２のプリズムアレイ４１を構成するプリズムも同様に構成する。

この場合には、上記実施の形態に比べ、プリズム面の形成を容易に行うことができるため、プリズムの製造コストを抑制することができる。ただし、この場合には、第１および第２のプリズムアレイを構成するプリズムの厚みが大きくなるため、光学系の形状寸法が大きくなる。また、これに応じて、マイクロレンズ１２１の焦点距離をかなり大きく設定しなければならないとの不都合も生じる。

プリズムの厚みは、傾斜面の個数を増加させて一つの傾斜面に入射される光束の数を少なくするほど小さくなる。究極的には、一列のマイクロレンズ１２１にて収束された部分光束が一つの傾斜面１３１ａに入射されるよう、傾斜面１３１ａの幅寸法を設定すると、プリズム１３１の厚みが最小となるが、反面、傾斜面１３１ａの幅寸法を小さくすると、傾斜面を円滑に形成できず、特性の低下ないし製造コストの上昇が懸念される。傾斜面１３１ａの幅寸法の設定は、これらを考慮して、適宜適正なものに設定する。上記実施の形態（図４参照）では、３列のマイクロレンズ１２１からの部分光束が一つの傾斜面１３１ａに入射されるよう、傾斜面１３１ａの幅寸法が設定されている。

以上の他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

実施の形態に係るプロジェクタ装置の構成を示す図 第１のレンズアレイと第１のプリズムアレイの構成を示す図 第１のプリズムアレイによる色分散作用を示す図 シャッターアレイによる光変調作用を説明する図 実施の形態に係るプロジェクタ装置の他の構成例を示す図 当該構成例におけるシャッターアレイの構成を示す図 実施の形態に係るプロジェクタ装置のさらに他の構成例を示す図 当該構成における第１のレンズアレイと第１のプリズムアレイの構成を示す図

符号の説明

１０ 光源
１２ 第１のレンズアレイ
１３ 第１のプリズムアレイ
１４ シャッターアレイ
１５ 第２のプリズムアレイ
１６ 第２のレンズアレイ
２３ シャッターアレイ
４０ 第１のプリズムアレイ
４１ 第２のプリズムアレイ
１３１ａ プリズム面
１３２ａ プリズム面

Claims (6)

1. 光源と、
   光源からの光をプリズムの色分散によって３原色に分離する光分離手段と、
   分離された各色の光を映像信号に基づいて変調する光変調手段と、
   変調された各色の光をプリズムの色分散によって再合成する光合成手段と、
   合成された光をスクリーン上に投影する投影手段と、
   を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
2. 請求項１において、
   前記光分離手段は、平面状に配列されたレンズ群を具備するとともに前記光源から入射された光のうち各レンズに入射された部分光束に光収束作用を付与する第１のレンズアレイと、該レンズアレイによって収束されたそれぞれの光束を色分散作用によって３原色の光に分離する第１のプリズムを有し、
   前記光合成手段は、前記第１のプリズムによって分離された各色の光を色分散作用によって分離前の光束に合成する第２のプリズムと、合成されたそれぞれの光束に対し前記第１のレンズアレイによる光収束作用を補正する光学作用を付与する第２のレンズアレイを有する、
   ことを特徴とするプロジェクタ装置。
3. 請求項２において、
   前記光変調手段は、前記各色の光の収束位置に対応して配列された一群の光変調素子からなる光変調アレイを具備する、
   ことを特徴とするプロジェクタ装置。
4. 請求項３において、
   前記光変調アレイは、前記各色の光を前記映像信号に基づいて遮光するシャッターアレイを備える、
   ことを特徴とするプロジェクタ装置。
5. 請求項４において、
   前記シャッターアレイは、液晶素子またはＭＥＭＳ素子によって構成されている、
   ことを特徴とするプロジェクタ装置。
6. 請求項２乃至５の何れかにおいて、
   前記第１のプリズムおよび第２のプリズムには、入射された光束に対して色分散作用を付与する断面鋸状の傾斜面が形成されており、前記第１のレンズアレイによって収束された一群の光束のうち隣り合う所定数の光束が一つの傾斜面に入射されるよう、前記傾斜面の幅寸法が設定されている、
   ことを特徴とするプロジェクタ装置。

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