WO2014199487A1 - プロジェクタ - Google Patents

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Definitions

  • the projector includes a light source, an image forming unit, a projection lens, a first optical system, and a second optical system.
  • the image forming unit adjusts the intensity of light emitted from the light source for each pixel to form image light.
  • the projection lens projects the image light formed by the image forming unit to the outside.
  • the first optical system guides the light of the first wavelength emitted from the light source to the projection lens.
  • the second optical system guides the light of the second wavelength emitted from the light source to the projection lens.
  • the F number of the first optical system is larger than the F number of the second optical system.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration around an image forming unit viewed from the direction of an arrow A in FIG. 3. It is a figure which shows schematic structure of the projector in 2nd Embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration around the image forming unit viewed from the direction of arrow A in FIG.
  • the color prism 38 splits white light into red light, green light, and blue light.
  • a red light optical path 60, a green light optical path 62, and a blue light optical path 64 are indicated by dotted lines.
  • FIG. 3 for the sake of convenience, only the optical path of green light dispersed by the color prism 38 is indicated by a dotted line.
  • DMD is a semiconductor type projection device provided with a large number of micromirrors arranged in a matrix. Each micromirror corresponds to a pixel of image light to be projected. The angle of each micromirror can be adjusted. Light incident on a minute mirror (ON state) having a certain angle is reflected toward the projection lens 50 and enlarged and projected onto a screen (not shown).
  • red light, green light, and blue light are emitted from the same light source 12.
  • the optical paths of red light, green light and blue light are the same from the light source 12 to the color prism 38. Since the red light, the green light, and the blue light are split by the color prism 38, the optical paths of the red light, the green light, and the blue light are partially different.
  • a convex lens 48 is provided between the image forming element 40 for red light and the color prism 38.
  • the red light that has passed through the color prism 38 passes through the convex lens 48 and then enters the image forming element 40.
  • the red light reflected by the image forming element 40 passes through the convex lens 48 and then enters the color prism 38.
  • the mirror 16, the integrator 30, the relay lens 32, the reflection mirror 34, the TIR prism 36, the color prism 38, and the convex lens 48 that guide the red light emitted from the light source 12 to the projection lens 50 constitute a first optical system.
  • the mirror 16, the integrator 30, the relay lens 32, the reflection mirror 34, the TIR prism 36, and the color prism 38 that guide the green light and the blue light emitted from the light source 12 to the projection lens 50 constitute a second optical system.
  • the F number of the first optical system is larger than the F number of the second optical system. This is because a convex lens 48 is provided between the image forming element 40 for red light and the color prism 38.
  • the first light source 20 and the second light source 24 are fiber light sources, and their configurations are arbitrary.
  • the first light source 20 and the second light source 24 may be solid light sources such as a laser light source, an LED light source, and a fluorescent light source including a phosphor.
  • the light synthesized by the synthesizing optical system 28 enters an integrator 60 that makes the illuminance distribution of the light uniform.
  • an integrator 60 for example, a rod integrator can be used.
  • the light emitted from the integrator 60 passes through the relay lens 62 and is reflected by the reflection mirror 64.
  • the light reflected by the reflection mirror 64 enters the TIR prism 66.
  • the light incident on the TIR prism 66 is totally reflected in the prism and then enters the color prism 68 which is a separation / combination optical system.
  • the red light dispersed by the color prism 68 enters the image forming element for red light.
  • the green light dispersed by the color prism 68 enters the image forming element 72 for green light.
  • the blue light dispersed by the color prism 68 enters the image forming element for blue light.
  • These image forming elements are reflection type image forming elements, for example, DMD or a reflection type liquid crystal device is used. In this embodiment, DMD is used.
  • the red light, green light, and blue light reflected by the image forming element are incident on the color prism 68 again, and are synthesized by the color prism 68.
  • the synthesized light (image light) synthesized by the color prism 68 passes through the TIR prism 66 and the projection lens 80 and is projected onto the screen.
  • the combined light combined by the combining optical system 28 passes through the integrator 60 and enters the color prism 68.
  • the optical path from the integrator 60 to the color prism 68 is common. Since the light source 20 that emits red light is different from the light source 24 that emits green light and blue light, the optical paths of red light, green light, and blue light are partially different.
  • the first lens 22 for guiding the red light emitted from the first light source 20 to the projection lens 80, the combining optical system 28, the integrator 60, the relay lens 62, the reflecting mirror 64, the TIR prism 66, and the color prism 68 are the first optical. Configure the system.
  • the second lens 26 that guides the green light and blue light emitted from the second light source 24 to the projection lens 50, the combining optical system 28, the integrator 60, the relay lens 62, the reflection mirror 64, the TIR prism 66, and the color prism 68 are the first. 2 optical system is constituted.
  • the curvature of the first lens 22 and the curvature of the second lens 26 are set so that the F number of the first optical system is larger than the F number of the second optical system.
  • the first light source 20 emits red light
  • the second light source 24 emits combined light of green light and blue light
  • the first light source 20 may emit light having a first wavelength
  • the second light source 24 may emit light having a second wavelength shorter than the first wavelength.
  • the first wavelength and the second wavelength are appropriately set according to the configuration of the projector.
  • the light of the first wavelength is red light
  • the light of the second wavelength may be green light, blue light, or a combined light of green light and blue light.
  • Second lens 30 60 Integrator 36, 66 TIR prism 38, 68 Color prism 40, 42, 44 Image forming element 48 Convex lens 50, 80 Projection lens

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Abstract

　投写レンズから投写された合成光の色ムラを軽減するプロジェクタを提供する。このプロジェクタは、光源と、画像形成部（４０，４２，４４）と、投写レンズ（５０）と、第１の光学系と、第２の光学系と、を有する。画像形成部（４０，４２，４４）は、光源から出射した光の強度を画素ごとに調整し、画像光を形成する。投写レンズ（５０）は、画像形成部（４０，４２，４４）で形成された画像光を外部へ投写する。第１の光学系は、光源から出射した第１の波長の光を投写レンズ（５０）へ導く。第２の光学系は、光源から出射した第２の波長の光を投写レンズ（５０）へ導く。第１の光学系のＦナンバーは第２の光学系のＦナンバーより大きい。

Description

プロジェクタ
　本発明は、光の強度を画素ごとに調整し、画像光を形成する画像形成部を有するプロジェクタに関する。
　プロジェクタは、赤色光、緑色光および青色光を出射する光源と、各色の光の強度を変調することにより画像光を形成する画像形成部と、画像光を外部へ拡大投写する投写レンズと、を備えている（特許文献１）。画像形成部には、反射型の画像形成素子、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。
　ＤＭＤは、微小のミラー要素を画素数分有している。各々のミラー要素は、回転軸まわりに所定の角度だけ回転可能に構成されている。ある方向に傾いたミラー要素に入射する光は、投写レンズが配置された方向に反射される。別の方向に傾いたミラー要素に入射する光は、投写レンズが配置されていない方向に反射される。このようにして、ＤＭＤの各々のミラー要素は、各画素に対応する光を投写レンズへ導くか否かを選択する。ＤＭＤが各色の光に対してこの制御を行うことで、プロジェクタは投写レンズを通じて画像光をスクリーンに表示することができる。
特開２０１２－１５９５５６号
　プロジェクタの画像形成部は画素ごとに光の強度を調整する。近年、画素ピッチが小さくなるにつれて、画像形成部において光の回折現象が発生しつつある。回折現象により、画像形成部を通った赤色光、緑色光および青色光の光束が広がり、当該光束が投写レンズの瞳からはみ出してしまうという現象が起きることがある。特に、画像形成部にＤＭＤが用いられている場合、多数の微小ミラーのピッチの狭小化により、この回折現象が起きる。
　図１は、投写レンズへの入射位置での緑色光および青色光のスポットと、投写レンズの瞳とを示す模式図である。図２は、投写レンズへの入射位置での赤色光のスポットと、投写レンズの瞳とを示す模式図である。赤色光は、緑色光や青色光よりも波長が長いため、回折の度合いが大きい。そのため、投写レンズへの入射位置での緑色光および青色光のスポット５６が投写レンズの瞳５２内にある場合（図１参照）であっても、赤色光５８の一部が投写レンズの瞳５２から外れることがある（図２参照）。
　これにより、投写レンズの瞳に入射する赤色光の強度が低下する。その結果、投写レンズから投写された画像光、つまり赤色光と緑色光と青色光との合成光に、色ムラが発生してしまう。
　よって、投写レンズから投写される合成光の色ムラを軽減することができるプロジェクタが望まれる。
　本発明の一実施形態におけるプロジェクタは、光源と、画像形成部と、投写レンズと、第１の光学系と、第２の光学系と、を有する。画像形成部は、光源から出射した光の強度を画素ごとに調整し、画像光を形成する。投写レンズは、画像形成部で形成された画像光を外部へ投写する。第１の光学系は、光源から出射した第１の波長の光を投写レンズへ導く。第２の光学系は、光源から出射した第２の波長の光を投写レンズへ導く。第１の光学系のＦナンバーは第２の光学系のＦナンバーより大きい。
　本発明によれば、投写レンズから投写された第１の波長の光と第２の波長の光との合成光の色ムラを軽減することができる。
投写レンズへの入射位置での緑色光および青色光のスポットと、投写レンズの瞳とを示す模式図である。 投写レンズへの入射位置での赤色光のスポットと、投写レンズの瞳とを示す模式図である。 第１の実施形態におけるプロジェクタの概略構成を示す図である。 図３の矢印Ａの方向からみた画像形成部周辺の構成を示す図である。 第２の実施形態におけるプロジェクタの概略構成を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図３は、本発明の第１の実施形態に係るプロジェクタの構成を示している。プロジェクタは、光源１２と、光の強度を画素ごとに調整し画像光を形成する画像形成部４２と、当該画像形成部で形成された画像光を外部へ投写する投写レンズ５０と、を有する。
　光源１２は、赤色光と緑色光と青色光とを含む白色光を出射するランプである。このランプは、白色光を発する発光部１３と、発光部の後方に出射した光を前方に反射するリフレクタ１４と、を備えている。
　光源１２から出射した光は、ミラー１６で反射し、光の照度分布を均一化するインテグレータ３０に入射する。インテグレータ３０としては、例えばロッドインテグレータを用いることができる。
　インテグレータ３０から出射した光は、リレーレンズ３２を通過し、反射ミラー３４で反射する。反射ミラー３４で反射した光はＴＩＲプリズム３６に入射する。ＴＩＲプリズム３６に入射した光は、ＴＩＲプリズム３６内で全反射し、分離合成光学系であるカラープリズム３８に入射する。
　図４は、図３の矢印Ａの方向からみた画像形成部周辺の構成を示す図である。カラープリズム３８は、白色光を、赤色光と緑色光と青色光に分光する。図４において、赤色光の光路６０、緑色光の光路６２および青色光の光路６４が点線によって示されている。なお、図３では、便宜上、カラープリズム３８で分光された緑色光の光路のみが点線で示されている。
　カラープリズム３８で分光された緑色光は、緑色光用の画像形成素子４２へ入射する。カラープリズム３８で分光された青色光は青色光用の画像形成素子４４へ入射する。さらに、カラープリズム３８で分光された赤色光は、赤色光用の画像形成素子４０へ入射する。これらの画像形成素子４０，４２，４４は、反射型の画像形成素子であり、例えばＤＭＤや反射型液晶デバイスが用いられる。本実施例では、ＤＭＤが用いられているため、以下では、画像形成素子４０，４２，４４をＤＭＤ４０，４２，４４として説明する。
　ＤＭＤは、マトリックス状に配列された多数の微小ミラーを備えた半導体型投写デバイスである。各微小ミラーが、投写される画像光の画素に対応する。各微小ミラーの角度は調整可能となっている。ある角度を持った微小ミラー（ＯＮ状態）に入射した光は、投写レンズ５０の方に反射され、スクリーン（不図示）に拡大投影される。
　具体的には、ＯＮ状態の微小ミラーに入射した緑色光、赤色光及び青色光は、再びカラープリズム３８へ入射し、カラープリズム３８で合成される。カラープリズム３８で合成された合成光（画像光）は、ＴＩＲプリズム３６および投写レンズ５０を通って、スクリーンへ投写される。
　別の角度を持った微小ミラー（ＯＦＦ状態）に入射した光は、投写レンズ５０とは異なる方向に反射され、スクリーンに投影されない。各微小ミラーにおいてＯＮ状態とＯＦＦ状態の時間的な比率を変化させることにより、スクリーンに投写される画像光の各画素の階調値を調節することができる。投写レンズ５０は、ＤＭＤ４０，４２，４４によって形成された画像光をスクリーンに投写する。
　本実施形態のプロジェクタでは、赤色光、緑色光および青色光は、同一の光源１２から出射する。赤色光、緑色光および青色光の光路は、光源１２からカラープリズム３８まで互いに同一である。赤色光、緑色光および青色光はカラープリズム３８で分光されるので、赤色光、緑色光および青色光の光路は部分的に異なっている。
　本実施形態のプロジェクタでは、赤色光用の画像形成素子４０とカラープリズム３８との間に凸レンズ４８が設けられている。これにより、カラープリズム３８を通った赤色光は、凸レンズ４８を通過してから画像形成素子４０へ入射する。また、画像形成素子４０で反射した赤色光は、凸レンズ４８を通過してからカラープリズム３８に入射する。
　光源１２から出射した赤色光を投写レンズ５０へ導くミラー１６，インテグレータ３０，リレーレンズ３２，反射ミラー３４，ＴＩＲプリズム３６，カラープリズム３８，凸レンズ４８は第１の光学系を構成する。また、光源１２から出射した緑色光および青色光を投写レンズ５０へ導くミラー１６，インテグレータ３０，リレーレンズ３２，反射ミラー３４，ＴＩＲプリズム３６，カラープリズム３８は第２の光学系を構成する。第１の光学系のＦナンバーは第２の光学系のＦナンバーよりも大きい。これは、赤色光用の画像形成素子４０とカラープリズム３８との間に凸レンズ４８が設けられているからである。
　赤色光の波長は長いため、ＤＭＤ４０での赤色光の回折の度合いは、ＤＭＤ４２，４４での緑色光および青色光の回折の度合いよりも大きい。しかしながら、本実施形態では、赤色光の光路に配置された第１の光学系のＦナンバーが大きいので、赤色光が投写レンズ５０の瞳から外れることを防止することができる。そのため、赤色光と緑色光と青色光からなる画像光が投写レンズ５０の瞳から外れることなくスクリーンへ到達するので、スクリーンにおいて各色の分布が均一化される。その結果、投写レンズ５０から投写された赤色光と緑色光と青色光との合成光の色ムラを軽減することができる。
　なお、赤色光の光路に配置された光学系、緑色光の光路に配置された光学系、青色光の光路に配置された光学系のＦナンバーを全て大きくすると、投写レンズ５０により投写される合成光（画像光）の明るさが大きく低下してしまう。上記構成では、赤色光の光路に配置された第１の光学系のＦナンバーのみが大きいので、合成光の全体的な明るさを維持することができる。
　第１の実施形態では、光源１２は、赤色光と緑色光と青色光とを含む白色光を出射した。しかしながら、光源１２は、第１の波長の光と該第１の波長よりも短い第２の波長の光とを含む光を出射すれば良い。ここで、第１の波長の光が赤色光である場合、第２の波長の光は、緑色光、青色光、または緑色光と青色光との合成光であれば良い。
　図５は、本発明の第２の実施形態に係るプロジェクタの構成を示している。このプロジェクタは、光源と、光源から出射した光の強度を画素ごとに調整し画像光を形成する画像形成部４２と、当該画像形成部で形成された画像光を外部へ投写する投写レンズ８０と、を有する。本実施形態では、光源は、第１の光源２０と第２の光源２４とに分かれている。
　第１の光源２０及び第２の光源２４は、ファイバー光源であり、その構成は任意である。第１の光源２０及び第２の光源２４は、レーザ光源、ＬＥＤ光源、蛍光体を含む蛍光光源のような固体光源であって良い。
　本実施形態では、第１の光源２０は赤色光を出射する。第２の光源２４は、緑色光と青色光との合成光を出射する。第１の光源２０から出射した赤色光は、第１のレンズ２２を通って合成光学系２８に入射する。第２の光源２４から出射した緑色光と青色光との合成光は、第２のレンズ２６を通って合成光学系２８に入射する。赤色光と緑色光と青色光は合成光学系２８で合成され、白色光になる。
　合成光学系２８は、ダイクロイックミラーであって良い。この場合、ダイクロイックミラーは、赤色波長帯の光に対して高い反射率を有し、緑色波長帯および青色波長帯の光に対して高い透過率を有する。
　合成光学系２８によって合成された光は、光の照度分布を均一化するインテグレータ６０に入射する。インテグレータ６０としては、例えばロッドインテグレータを用いることができる。
　インテグレータ６０から出射した光は、リレーレンズ６２を通過し、反射ミラー６４で反射する。反射ミラー６４で反射した光はＴＩＲプリズム６６に入射する。ＴＩＲプリズム６６に入射した光は、プリズム内で全反射し、分離合成光学系であるカラープリズム６８に入射する。
　カラープリズム６８は、白色光を、赤色光と緑色光と青色光に分光する。なお、図５では、便宜上、カラープリズム６８で分光された緑色光の光路のみが点線で示されている。第２の実施形態におけるプロジェクタの画像形成部周辺の構成は、図４に示す構成とほぼ同様である。ただし、第２の実施形態では、赤色光用の画像形成素子とカラープリズムとの間に凸レンズは設けられていない。
　カラープリズム６８で分光された赤色光は、赤色光用の画像形成素子へ入射する。カラープリズム６８で分光された緑色光は緑色光用の画像形成素子７２へ入射する。さらに、カラープリズム６８で分光された青色光は、青色光用の画像形成素子へ入射する。これらの画像形成素子は、反射型の画像形成素子であり、例えばＤＭＤや反射型液晶デバイスが用いられる。本実施例では、ＤＭＤが用いられている。
　画像形成素子で反射した赤色光、緑色光および青色光は、再びカラープリズム６８へ入射し、カラープリズム６８で合成される。カラープリズム６８で合成された合成光（画像光）は、ＴＩＲプリズム６６および投写レンズ８０を通って、スクリーンへ投写される。
　第２の本実施形態のプロジェクタでは、合成光学系２８で合成された合成光は、インテグレータ６０を通り、カラープリズム６８に入射する。インテグレータ６０からカラープリズム６８までの光路は共通である。赤色光を出射する光源２０と緑色光および青色光を出射する光源２４とが異なっているので、赤色光、緑色光および青色光の光路は部分的に異なっている。
　第１の光源２０から出射した赤色光を投写レンズ８０へ導く第１のレンズ２２，合成光学系２８，インテグレータ６０，リレーレンズ６２，反射ミラー６４，ＴＩＲプリズム６６，カラープリズム６８は第１の光学系を構成する。第２の光源２４から出射した緑色光と青色光を投写レンズ５０へ導く第２のレンズ２６，合成光学系２８，インテグレータ６０，リレーレンズ６２，反射ミラー６４，ＴＩＲプリズム６６，カラープリズム６８は第２の光学系を構成する。第１のレンズ２２の曲率と第２のレンズ２６の曲率とは、第１の光学系のＦナンバーが第２の光学系のＦナンバーよりも大きくなるように設定されている。
　この場合であっても、第１の実施形態と同様に、赤色光が投写レンズ８０の瞳から外れることを防止することができる。その結果、投写レンズ８０から投写された赤色光と緑色光と青色光との合成光の色ムラを軽減することができる。
　第２の実施形態では、第１の光源２０は赤色光を出射し、第２の光源２４は緑色光と青色光との合成光を出射した。しかしながら、第１の光源２０は第１の波長の光を出射し、第２の光源２４は、当該第１の波長よりも短い第２の波長の光を出射するものであって良い。第１の波長と第２の波長は、プロジェクタの構成に応じて適宜設定される。第１の波長の光が赤色光である場合、第２の波長の光は、緑色光、青色光、または緑色光と青色光との合成光であって良い。
　以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
１２　光源
２０　第１の光源
２２　第１のレンズ
２４　第２の光源
２６　第２のレンズ
３０，６０　インテグレータ
３６，６６　ＴＩＲプリズム
３８，６８　カラープリズム
４０，４２，４４　画像形成素子
４８　凸レンズ
５０，８０　投写レンズ

Claims (9)

  1. 　光源と、
    　前記光源から出射した光の強度を画素ごとに調整し、画像光を形成する画像形成部と、
    　前記画像形成部で形成された画像光を外部へ投写する投写レンズと、
    　前記光源から出射した第１の波長の光を前記投写レンズへ導く第１の光学系と、
    　前記光源から出射した第２の波長の光を前記投写レンズへ導く第２の光学系と、を有し、
    　前記第１の光学系のＦナンバーが、前記第２の光学系のＦナンバーより大きい、プロジェクタ。
  2. 　請求項１に記載のプロジェクタであって、
    　前記画像形成部は、前記投写レンズに入射する前記第１の波長の画像光を形成する第１の画像形成素子と、前記投写レンズに入射する前記第２の波長の画像光を形成する第２の画像形成素子と、を含み、
    　前記第１の光学系および前記第２の光学系は、前記第１の波長の光を前記第１の画像形成素子へ導き、前記第２の波長の光を前記第２の画像形成素子へ導き、前記第１および第２の画像形成素子で反射した前記第１の波長の光と前記第２の波長の光を合成する共通の分離合成光学系を有し、
    　前記第１の光学系は、前記分離合成光学系と前記第１の画像形成素子との間に凸レンズを有する、プロジェクタ。
  3. 　請求項１に記載のプロジェクタであって、
    　前記光源は、前記第１の波長の光を出射する第１の光源と前記第２の波長の光を出射する第２の光源とからなり、
    　前記第１の光源から出射した前記第１の波長の光と前記第２の光源から出射した前記第２の波長の光とを合成する合成光学系が設けられており、
    　前記第１の光学系は、前記第１の光源と前記合成光学系との間に配置された第１のレンズを有し、
    　前記第２の光学系は、前記第２の光源と前記合成光学系との間に配置された第２のレンズを有し、
    　前記第１の光学系のＦナンバーが前記第２の光学系のＦナンバーより大きくなるように、前記第１のレンズの曲率と前記第２のレンズの曲率が設定されている、プロジェクタ。
  4. 　請求項３に記載のプロジェクタであって、
    　前記画像形成部は、前記投写レンズに入射する前記第１の波長の画像光を形成する第１の画像形成素子と、前記投写レンズに入射する前記第２の波長の画像光を形成する第２の画像形成素子と、を含み、
    　前記第１の光学系および前記第２の光学系は、前記第１の波長の光を前記第１の画像形成素子へ導き、前記第２の波長の光を前記第２の画像形成素子へ導き、前記第１および第２の画像形成素子で反射した前記第１の波長の光および前記第２の波長の光を合成する共通の分離合成光学系を有する、プロジェクタ。
  5. 　請求項２または４に記載のプロジェクタであって、
    　前記第１の画像形成素子および前記第２の画像形成素子は、デジタルマイクロミラーデバイスである、プロジェクタ。
  6. 　請求項２、４または５に記載のプロジェクタであって、
    　前記分離合成光学系はカラープリズムである、プロジェクタ。
  7. 　請求項２、４、５または６に記載のプロジェクタであって、
    　前記第１の波長の光と前記第２の波長の光との合成光が通過するインテグレータをさらに有し、
    　前記インテグレータから前記分離合成光学系までの前記合成光の光路は互いに同一である、プロジェクタ。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載のプロジェクタであって、
    　前記第１の光学系と前記第２の光学系とは、部分的に共通の光学要素を有する、プロジェクタ。
  9. 　請求項１から８のいずれか１項に記載のプロジェクタであって、
    　前記第１の波長の光は赤色光であり、
    　前記第２の波長の光は、緑色光、青色光、または緑色光と青色光との合成光である、プロジェクタ。
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