JP5391543B2 - 投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、投影装置に関する。

反射型液晶素子および偏光分離素子を有する投影装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−２１５６１３号公報

偏光分離素子のサイズが大きいと、投影装置を小型化する上で阻害要因になる。

請求項１の発明による投影装置は、光源からの光を変調する反射型変調素子と、前記光源からの光を前記反射型変調素子へ導き、前記反射型変調素子による変調光を投射光学系へ導く第１光学系と、前記反射型変調素子の外縁部へ入射する光束を光軸に近づける向きに偏向する一方、前記外縁部を除く他の領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に進行させる第２光学系と、前記光源からの光のうち、前記反射型変調素子の外縁部へ入射する光束を前記光軸から離れる向きに偏向する一方、前記外縁部を除く他の領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に偏向する第３光学系とを備え、前記第２光学系は、前記第３光学系によって前記光軸から離れる向きに偏向された光束を内面で反射して前記光軸に近づける向きに進行させる一方、前記第３光学系によって前記光軸と略平行に偏向された光束を前記光軸と略平行に進行させることを特徴とする。
請求項６の発明による投影装置は、光源からの光を変調する反射型変調素子と、前記光源からの光のうち、少なくとも前記反射型変調素子の外縁領域へ入射する光束を光軸から離れる向きに偏向する一方、少なくとも前記反射型変調素子の中央領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に偏向する第１光学系と、前記光源からの光を前記反射型変調素子へ導き、前記反射型変調素子による変調光を投射光学系へ導くと共に、前記第１光学系によって前記光軸から離れる向きに偏向された光束を内面で反射して前記光軸に近づける向きに進行させる一方、前記第１光学系によって前記光軸と略平行に偏向された光束を前記光軸と略平行に進行させる第２光学系とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、反射型変調素子を用いた投影装置を小型化できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態による投影装置の光学系の構成を例示する図である。図１において、投影装置の光学系は、白色光を発するＬＥＤ（発光ダイオード）光源１０と、集光光学系１１と、偏光ビームスプリッタ（以降ＰＢＳとする）１２と、液晶パネル１３と、投射レンズ１４とを有する。液晶パネル１３は、反射型液晶によって構成されている。

ＬＥＤ光源１０には、不図示の投射制御回路から駆動電流が供給される。ＬＥＤ光源１０は、供給電流に応じた明るさで発光する。集光光学系１１は、ＬＥＤ光源１０からの光を略平行光にし、プリ偏光板を通過後ＰＢＳ１２へ入射させる。本実施形態では、ＰＢＳ１２へＰ偏光成分を入射する。ＰＢＳ１２は、偏光分離部１２ａでＰ偏光成分である入射光束を透過して液晶パネル１３を照明させる。

液晶パネル１３には、投射制御回路（不図示）から投影すべき画像に応じた液晶パネル駆動信号が供給される。液晶パネル１３は、赤、緑、青のフィルターが形成された複数の画素から構成されており、供給された駆動信号によってカラー画像を生成する。具体的には、液晶層に対して画像信号（液晶パネル駆動信号）に応じた電圧を画素ごとに印加する。電圧が印加された液晶層は液晶分子の配列が変わり、当該液晶層を通過する光の偏光方向が変化する。

液晶パネル１３の液晶層を透過する光は、液晶パネル１３へ入射されると当該液晶層を図１の左向きに進行し、液晶パネル１３の反射面で反射された後、液晶層を右向きに進行して液晶パネル１３から射出され、ＰＢＳ１２へ再度入射される。電圧が印加された液晶層は位相板として機能するので、ＰＢＳ１２へ再度入射される光は、白画素からのＳ偏光と黒画素からのＰ偏光が混合している。

ＰＢＳ１２は、再入射された光束のうちＳ偏光成分である変調光のみを偏光分離部１２ａで反射し、図１の上方の投射レンズ１４へ向けて投影光として射出する。これにより、変調された画像が生成される。ＰＢＳ１２へ再入射されたＰ偏光成分の光は、偏光分離部１２ａによってＬＥＤ光源１０側へ透過されて廃棄される。

図２は、上述したＬＥＤ光源１０および集光光学系１１の拡大図である。集光光学系１１は、中央部と周辺部とで異なるパワーを有する屈折光学系で構成される。これによって集光光学系１１は、ＰＢＳ１２の中央部へは平行光束Ｌｃを、ＰＢＳ１２の周辺部へは拡がり光束Ｌａを、それぞれ入射させる。平行光束Ｌｃは光軸Ａｘと平行に進み、拡がり光束Ｌａは光軸Ａｘから離れる向きに進む。

図１において、ＰＢＳ１２の外縁部に入射される光束Ｌａは略外向き（光軸Ａｘから離れる向き）である。この光束Ｌａは、ＰＢＳ１２内において当該ＰＢＳ１２の内面で全反射されて略内向き（光軸Ａｘに近づく向き）の光束Ｌｂとして液晶パネル１３の外縁部を照明する。なお、ＰＢＳ１２の外縁部を除く他の領域（中央部を含む）に入射される光束は光軸Ａｘと平行である。この平行光束は、ＰＢＳ１２内を平行に進んで液晶パネル１３の外縁部を除く他の領域（中央部を含む）を照明する。

実際の照明光（および変調光）は、ＰＢＳ１２内を進行する角度にばらつきを有する。ＰＢＳ１２の外縁部を進行する光束について、略内向きに進行するように制御することにより、ＰＢＳ１２の外縁部を進行する照明光（および変調光）の進行角にばらつきが生じるとしても、少なくとも外向きにならないように偏向できる。

なお、ＰＢＳ１２は立方体形状に構成する。液晶パネル１３による有効画素領域のアスペクト比が１：１と異なる場合（たとえば横１６：縦９の場合）、液晶パネル１３の有効画素領域の長辺方向を図１における上下方向と合致させる。つまり、図１は液晶パネル１３の長辺側を表す。ＰＢＳ１２のサイズは、少なくとも液晶パネル１３の有効画素領域の長辺側サイズより大きくする。

本説明において、ＰＢＳ１２が略外向きの光束Ｌａを全反射する内面は、ＰＢＳ１２の６つの面のうち液晶パネル１３の短辺側に対応する面の内側である。

以上説明した第一の実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）ＰＢＳ１２の外縁部を進行する光束について略内向きに進行するように制御した。ＰＢＳ１２の外縁部を進行する照明光（および変調光）を、外向きにならないように（少なくともＰＢＳ１２の内面と平行に）偏向できる結果、スクリーン３０上において投影像の外側への不要な像（いわゆるゴースト像）の投影を防止できる。

（２）上記ゴースト像の一因は、ＰＢＳ１２から外向きの光として射出されて液晶パネル１３を照明する光の存在である。外向き照明光で照明された液晶パネル１３から外向きの変調光が射出され、この変調光がＰＢＳ１２内において当該ＰＢＳ１２の内面で反射されるとゴースト像を生じる。この影響を避けるため、液晶パネル１３のサイズに比べてＰＢＳ１２のサイズを十分大きくすることが一策であるが、ＰＢＳ１２の大型化はコストアップになる上に、投影装置の小型化を阻害する。上記（１）の構成にしたことにより、ゴースト像を排除するためにＰＢＳ１２を大型化する必要がなくなり、小型化およびコスト低減を実現できる。

（３）ＰＢＳ１２は、通常、２個の直角プリズムを偏光分離部１２ａ挟んで接合して構成される。直角プリズムの３つの面はいずれも鏡面処理されているので、図１においてＰＢＳ１２を示す四角形の４辺に対応する面は、いずれも鏡面処理が施された面である。したがって、直角プリズムを接合してＰＢＳ１２を構成後に、当該ＰＢＳ１２の内面において全反射するようにＰＢＳ１２に対して改めて鏡面処理を施さなくてもよい。

（第二の実施形態）
図３は、本発明の第二の実施形態による投影装置の光学系の構成を例示する図である。ＬＥＤ光源（不図示）からの光について、第一の実施形態と同様の集光光学系によってＰＢＳ１２の中央部へ平行光束Ｌｃを、ＰＢＳ１２の周辺部へ拡がり光束Ｌａを、それぞれ入射させる点は図１と同様である。なお、第二の実施形態では、ＰＢＳ１２へＳ偏光成分を入射するようにプリ偏光板を設置する。ＰＢＳ１２は、偏光分離部１２ａでＳ偏光成分である入射光束を反射して液晶パネル１３を照明させる。

液晶パネル１３の液晶層を透過する光は、液晶パネル１３へ入射されると当該液晶層を図３の下向きに進行し、液晶パネル１３の反射面で反射された後、液晶層を上向きに進行して液晶パネル１３から射出され、ＰＢＳ１２へ再度入射される。電圧が印加された液晶層は位相板として機能するので、ＰＢＳ１２へ再度入射される光は、白画素からのＰ偏光と黒画素からのＳ偏光が混合している。

ＰＢＳ１２は、再入射された光束のうちＰ偏光成分である変調光のみを偏光分離部１２ａで透過し、図１の上方の投射レンズ１４へ向けて投影光として射出する。これにより、変調された画像が生成される。ＰＢＳ１２へ再入射されたＳ偏光成分の光は、偏光分離部１２ａによってＬＥＤ光源１０側へ反射されて廃棄される。

図３において、ＰＢＳ１２の外縁部に入射される光束Ｌａは略外向き（光軸から離れる向き）である。この光束Ｌａは、ＰＢＳ１２内において当該ＰＢＳ１２の内面で全反射されて略内向き（光軸に近づく向き）の光束Ｌｂとして液晶パネル１３の外縁部を照明する。なお、ＰＢＳ１２の外縁部を除く他の領域（中央部を含む）に入射される光束は光軸に平行である。この平行光束は、ＰＢＳ１２内を平行に進んで液晶パネル１３の外縁部を除く他の領域（中央部を含む）を照明する。

以上説明した第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様に、ＰＢＳ１２の外縁部を進行する光束について略内向きに進行するように制御したので、ＰＢＳ１２の外縁部を進行する照明光（および変調光）が外向きにならないように（少なくともＰＢＳ１２の内面と平行に）偏向される。この結果、ゴースト像を排除するためにＰＢＳ１２を液晶パネル１３に比べて十分大きくすることなく、投影像の外側へのゴースト像を排除できる。

（第三の実施形態）
白色光を発するＬＥＤ（発光ダイオード）光源の代わりに、ＲＧＢ各色の光を発するＬＥＤ光源をそれぞれ備える構成にしてもよい。図４は、本発明の第三の実施形態による投影装置の光学系の構成を例示する図である。図４において、図１と同様の構成には同一符号を記して説明を省略する。

Ｒ色のＬＥＤ光源（不図示）からの光について、第一の実施形態と同様の集光光学系により、ダイクロイックプリズム１５の下面側からダイクロイックプリズム１５の中央部へ平行光束を、ダイクロイックプリズム１５の周辺部へ拡がり光束Ｌａを、それぞれ入射させる（光源光(R)）。

Ｇ色のＬＥＤ光源（不図示）からの光について、第一の実施形態と同様の集光光学系により、ダイクロイックプリズム１５の右面側からダイクロイックプリズム１５の中央部へ平行光束を、ダイクロイックプリズム１５の周辺部へ拡がり光束Ｌａを、それぞれ入射させる（光源光(G)）。

Ｂ色のＬＥＤ光源（不図示）からの光について、第一の実施形態と同様の集光光学系により、ダイクロイックプリズム１５の上面側からダイクロイックプリズム１５の中央部へ平行光束を、ダイクロイックプリズム１５の周辺部へ拡がり光束Ｌａを、それぞれ入射させる（光源光(B)）。

ダイクロイックプリズム１５は、フィルタ膜１５ａによってＲ色光を左側へ折り曲げてＰＢＳ１２へ射出する。また、ダイクロイックプリズム１５は、フィルタ膜１５ｂによってＢ色光を左側へ折り曲げてＰＢＳ１２へ射出する。ダイクロイックプリズム１５はさらに、Ｇ色光を透過してＰＢＳ１２へ射出する。

不図示の投射制御回路は、Ｒ色のＬＥＤ光源、Ｇ色のＬＥＤ光源、およびＢ色のＬＥＤ光源に対してそれぞれが色順次に発光するようにシーケンシャルに駆動電流を供給する。投射制御回路（不図示）はさらに、上記色順次発光に同期させて、投影すべき各色の画像に応じた液晶パネル駆動信号を液晶パネル１３Ｂへ供給する。これにより、モノクロ液晶パネル１３Ｂによって時分割で生成されるＲＧＢ各色の投影像がフィールド合成され、観察者はスクリーン３０上にカラーの投影像を観察する。

図４において、ダイクロイックプリズム１５の外縁部に入射される光束Ｌａは略外向き（光軸から離れる向き）である。この光束Ｌａは、ダイクロイックプリズム１５内において当該ダイクロイックプリズム１５の内面で全反射されて略内向き（光軸に近づく向き）の光束Ｌｂとして、ＰＢＳ１２を介して液晶パネル１３Ｂの外縁部を照明する。なお、ダイクロイックプリズム１５の外縁部を除く他の領域（中央部を含む）に入射される光束は光軸に平行である。この平行光束は、ダイクロイックプリズム１５およびＰＢＳ１２内を平行に進んで液晶パネル１３Ｂの外縁部を除く他の領域（中央部を含む）を照明する。

以上説明した第三の実施形態によれば、第一の実施形態と同様に、ダイクロイックプリズム１５（およびＰＢＳ１２）の外縁部を進行する光束について略内向きに進行するように制御したので、ダイクロイックプリズム１５（およびＰＢＳ１２）の外縁部を進行する照明光、ならびにＰＢＳ１２を進行する変調光が外向きにならないように（少なくともＰＢＳ１２の内面と平行に）偏向される。この結果、ゴースト像を排除するためにＰＢＳ１２およびダイクロイックプリズム１５を液晶パネル１３Ｂに比べて十分大きくすることなく、投影像の外側へのゴースト像を排除できる。

（変形例１）
以上の説明では、集光光学系１１を屈折光学系によって構成したが、所定の反射面を備えた反射光学系１１Ｂによって構成してもよい。図５は、この場合のＬＥＤ光源１０および反射光学系１１Ｂの拡大図である。反射光学系１１Ｂは、ＰＢＳ１２（図１）の中央部へは光軸Ａｘに平行な光束Ｌｃを、ＰＢＳ１２（図１）の周辺部へは光軸Ａｘから離れる向きの拡がり光束Ｌａを、それぞれ入射させる。

（変形例２）
上述した説明では、液晶パネルを１つ備える単板式の構成を例示したが、Ｒ色のＬＥＤ光源、Ｇ色のＬＥＤ光源、およびＢ色のＬＥＤ光源からのそれぞれの光源光に対して個別に変調を行うＲ色用液晶パネル、Ｇ色用液晶パネル、およびＢ色用液晶パネルを備える三板式の構成に対しても本発明を適用できる。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

本発明の第一の実施形態による投影装置の光学系の構成を例示する図である。 ＬＥＤ光源および集光光学系の拡大図である。 本発明の第二の実施形態による投影装置の光学系の構成を例示する図である。 本発明の第三の実施形態による投影装置の光学系の構成を例示する図である。 ＬＥＤ光源および反射光学系の拡大図である。

符号の説明

１０…ＬＥＤ光源
１１…集光光学系
１１Ｂ…反射光学系
１２…ＰＢＳ
１３、１３Ｂ…液晶パネル
１４…投射レンズ
１５…ダイクロイックプリズム
Ａｘ…光軸
Ｌａ…外向き光束
Ｌｂ…内向き光束

Claims (7)

1. 光源からの光を変調する反射型変調素子と、
   前記光源からの光を前記反射型変調素子へ導き、前記反射型変調素子による変調光を投射光学系へ導く第１光学系と、
   前記反射型変調素子の外縁部へ入射する光束を光軸に近づける向きに偏向する一方、前記外縁部を除く他の領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に進行させる第２光学系と、
   前記光源からの光のうち、前記反射型変調素子の外縁部へ入射する光束を前記光軸から離れる向きに偏向する一方、前記外縁部を除く他の領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に偏向する第３光学系とを備え、
   前記第２光学系は、前記第３光学系によって前記光軸から離れる向きに偏向された光束を内面で反射して前記光軸に近づける向きに進行させる一方、前記第３光学系によって前記光軸と略平行に偏向された光束を前記光軸と略平行に進行させることを特徴とする投影装置。
2. 請求項１に記載の投影装置において、
   前記第２光学系および前記第１光学系は、偏光分離プリズムによって構成されていることを特徴とする投影装置。
3. 請求項１に記載の投影装置において、
   発光色が異なる複数の光源からの光を合波する合波光学系をさらに備え、
   前記反射型変調素子は、前記合波光学系によって合波された光を変調し、
   前記第３光学系は、前記複数の光源ごとに備えられ、
   前記第２光学系は、前記合波光学系によって構成され、
   前記第１光学系は、偏光分離素子によって構成されていることを特徴とする投影装置。
4. 請求項３に記載の投影装置において、
   前記光軸から離れる向きに偏向された光束を前記第２光学系が反射する内面は、前記偏光分離素子または前記合波光学系を構成する面のうち、前記反射型変調素子の短辺に対応する面の内側であることを特徴とする投影装置。
5. 請求項４に記載の投影装置において、
   前記内面の外側の面が鏡面処理されていることを特徴とする投影装置。
6. 光源からの光を変調する反射型変調素子と、
   前記光源からの光のうち、少なくとも前記反射型変調素子の外縁領域へ入射する光束を光軸から離れる向きに偏向する一方、少なくとも前記反射型変調素子の中央領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に偏向する第１光学系と、
   前記光源からの光を前記反射型変調素子へ導き、前記反射型変調素子による変調光を投射光学系へ導くと共に、前記第１光学系によって前記光軸から離れる向きに偏向された光束を内面で反射して前記光軸に近づける向きに進行させる一方、前記第１光学系によって前記光軸と略平行に偏向された光束を前記光軸と略平行に進行させる第２光学系とを備えることを特徴とする投影装置。
7. 請求項６に記載の投影装置において、
   前記第１光学系は、前記光源からの光のうち、前記反射型変調素子の外縁領域へ入射する光束を前記光軸から離れる向きに偏向する一方、前記外縁領域を除く他の領域へ入射する光束を前記光軸と略平行に偏向することを特徴とする投影装置。

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