JP4222285B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネル等の光変調装置を用いて画像を投射するプロジェクタに関する。

従来のプロジェクタとして、各色用の液晶パネルを照明するため、光源からの光源光を３色に分解し、そのうち青色の照明光路上にリレー光学系を配置して、残りの２色に対する光路差を補償するものが存在する（特許文献１，２，３，４参照）。なお、これらのうち、第１のプロジェクタでは、リレー光学系を構成する３つのリレーレンズのうち、中央のリレーレンズを例えば光軸方向に移動可能にして、液晶パネルに対する照明領域の大きさを拡大・縮小できるようにし、Ｂ光の有効な活用を図っている（特許文献１）。また、第２のプロジェクタでは、光合成用のクロスダイクロイックプリズムに内蔵される例えば赤色反射用のダイクロイック膜を交線の片側で傾斜させて凸面形状とすることにより、赤色投射像の横幅を狭め、赤色に関する色収差を簡易に補正している（特許文献２）。また、第３のプロジェクタでは、各液晶パネルの射出面にレンズを貼り付けることによって、それらのレンズ作用を利用して投影倍率の調節を行い、投射レンズの倍率が各色光ごとに相違することにより生じる倍率色収差を補正している（特許文献３）。さらに、第４のプロジェクタでは、プラスチック製の色合成プリズムの青色や赤色光路側の入射面に色倍率補正レンズを一体形成にて設け、それらのレンズ作用を利用した投影倍率の調節を行い、投射レンズの倍率色収差を補正している（特許文献４）。

また、別のプロジェクタとして、光源からの光源光を３色に色分解し、そのうち赤色の照明光路上にリレー光学系を配置して、残りの２色に対する光路差を補償するものが存在する（特許文献５，６参照）。これらのうち、第１のプロジェクタでは、各液晶パネルと３色合成プリズムとの間に補正用レンズを配しており、投影レンズの倍率色収差の発生を抑えるようにしている（特許文献５）。また、第２のプロジェクタでは、反射型の液晶素子と３色合成プリズムとの間に配置される波長フィルムを保持するサンドイッチガラスの表面に曲率を持たせて、投射レンズの倍率色収差を補正している（特許文献６）。

さらに別のプロジェクタとして、白色光源からの光源光を３色に分解し、そのうち緑色
の照明光路上にリレー光学系等の導光手段を配置して、残りの２色に対する光路差を補償
するものが存在する（特許文献７参照）。
特開平１１−６４９７７号公報 特開平１１−３８２１０号公報 特開２００３−３４４８０４号公報 特開２００１−６６６９４号公報 特開２００１−６６６９５号公報 特開２０００−１５５３７２号公報 ＷＯ９４／２２０４２号公報

しかし、青色光路上にリレー光学系を配置するタイプのプロジェクタでは、光源として例えば高圧水銀ランプ等を用いている関係上、青色が他の色に比較して相対的に弱くなり、ホワイトバランスを適切に調整できない場合がある。このような場合、液晶パネルに入力すべき画像信号の輝度値を調整する信号処理によってホワイトバランスを達成することも可能であるが、画像の明るさやコントラストを低下させてしまうという問題がある。なお、青色光路に設けたリレーレンズを光軸方向に移動可能にした場合、比較的輝度が不足し易い青色光の損失を少なくすることができ、照明光の無駄を防止することができるが、高圧水銀ランプ等の発光特性に起因するホワイトバランスの偏りを積極的に解消することができない。
また、投射レンズは構成される個々のレンズの分散により倍率色収差は避けられず、原理的には緑色光に対し赤色光と青色光とは逆方向の収差を有する。最近では特殊な硝材を用いて倍率色収差を抑制する設計がされるようになり、緑色光に対し赤色光と青色光が同方向の収差となる投射レンズも出現してきている。このような投射レンズに対し前述のような倍率色収差補正が提案されているが、青色光をリレー光学系に導くプロジェクタにおいては、倍率色収差の補正に関しても以下の問題がある。すなわち、色合成プリズムの赤色反射用のダイクロイック膜を交線の片側で傾斜させる場合、赤色投射像の横幅を青色投射像の横幅に合わせることができるが、赤色及び青色投射像の横幅を緑色投射像の横幅に合わせる場合、投射レンズは前記のような収差を有するため赤色反射用のみならず青色反射用のダイクロイック膜についても交線の片側を傾斜させる必要があり、ダイクロイックプリズムの製造が複雑になりコスト増加を招く。また、片方の色のダイクロイック膜のみ傾斜させるために赤色光か青色光の一方の倍率色収差を低減させようとすると他方の倍率色収差が大きくなってしまい上記の膜の傾斜では補正しきれなくなってしまう。その他、各液晶パネルの射出面にレンズを貼り付ける方法でも、色補正用のレンズを各色の光路上に特別に設ける必要があり、製造工程の複雑化やコスト増加を招くだけでなく、色補正用のレンズによって青色光等を減衰させてしまう可能性がある。また、プラスチック製の色合成プリズムの入射面に色倍率補正レンズを一体形成にて設ける方法でも、十分な精度を得るためには、異なる色光に対応して形成される複数の色倍率補正レンズの加工精度を高める必要があり、製造工程の複雑化やコスト増加を招く。

また、赤色光路上にリレー光学系を配置するタイプのプロジェクタでも課題は同じであり、赤色が他の色に比較して相対的に弱くなり、ホワイトバランスを適切に調整できない場合がある。なお、このように赤色光路上にリレー光学系を配置するタイプのプロジェクタにおいて、各色の光路に倍率色収差の補正用レンズを配置する方法では、補正用レンズを複数光路に組み込む必要があり、さらに、補正用レンズによってＲ光等を減衰させてしまう可能性がある。また、サンドイッチガラスの表面に曲率を持たせる方法も、同様に複数光路のサンドイッチガラスの表面に曲率を形成する必要があり、さらに、Ｒ光が減衰させてしまう可能性がある。

一方、緑色光路上にリレー光学系を配置するプロジェクタでは、光源の高圧水銀ランプ等の発光特性に起因して過剰となり易い緑色の強度を簡易に減光することができ、最近要求レベルが高くなっている色温度の調整が比較的容易であるという利点があるが、赤色や青色の光路上にリレー光学系を配置するプロジェクタ同様に３色の倍率色収差の補正は容易でない。つまり、３色の倍率色収差を補正する場合、例えば赤色及び緑色に関する拡大サイズを青色に関する拡大サイズに合わせることになるが、この場合、赤色反射用のみならず緑色反射用のダイクロイック膜も片側を傾斜させる必要があり、クロスダイクロイックプリズムの製造が複雑になりコスト増加を招く。また、色補正用のレンズ等を複数光路に配置する方法では、少なくとも２つのレンズ等が必要となり、製造工程の複雑化やコスト増加を招く。

そこで、本発明は、高圧水銀ランプ等のようなスペクトル特性に一定の傾向があるランプ光源を用いた場合にも、輝度値を利用した信号処理を最小限としつつ、高輝度で自然なホワイトバランスを達成することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

また、本発明は、ダイクロイックプリズム等の製造コストを増大させることなく、ＲＧＢの各色に関して簡易に色補正を達成することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクタは、（ａ）照明光を射出する照明装置と、（ｂ）照明装置から射出された照明光から青色光、赤色光、及び緑色光を分岐して、青色光及び赤色光を、第１及び第２光路にそれぞれ導き、緑色光を、リレー光学系が設けられた第３光路に導く色分離光学系と、（ｃ）第１から第３光路上にそれぞれ配置され、青色光、赤色光、及び緑色光によってそれぞれ照明される第１から第３光変調装置と、（ｄ）青色光及び赤色光のいずれか一方を反射する第１ダイクロイック膜と、緑色光を反射する第２ダイクロイック膜とを交差させた状態で有するとともに、第１から第３光変調装置から射出される各色の像光を、第１及び第２ダイクロイック膜に対して互いに異なる所定方向からそれぞれ入射させることによって合成する光合成光学系と、（ｅ）光合成光学系から射出される合成光を、緑色光に対する青色光及び赤色光の倍率色収差がともに同符号となるように補正しつつ像光として投射する投射光学系と、（ｆ）光合成光学系から射出される合成光のうち緑色光に対応する像光のサイズを青色光及び赤色光の像光のサイズに対応させて調節する光学的調整手段とを備える。なお、第３光路にリレー光学系を設けるのは、照明装置から第３光変調装置までの距離が、照明装置から第１光変調装置までの距離や、照明装置から第２光変調装置までの距離よりも長くなるためであり、この距離の違いによる光の利用効率の低下を防ぐためである。

上記プロジェクタでは、光学的調整手段が、緑色光に対応する像光のサイズを他の色光の像光のサイズに対応させて調節するので、投射光学系における緑色光に対する他の色光の倍率色収差が発生しても両者でキャンセルされ、投射画像における倍率色収差の発生が抑制される。つまり、製造コストの増大を抑えつつ、青、赤、及び緑の各色に関して簡易に色補正を達成することができるので、各色の投射画素の位置ズレを小さくして高画質の画像を投射することができる。なお、以上のプロジェクタでは、緑色光用の第３光路上にリレー光学系を配置するので、緑色光のロスが生じ易いが、緑色光の光量が多いランプ光源では、自然なホワイトバランスを達成する上でむしろ有利な影響を与えることになる。また、この場合、緑色光は視感度が比較的高いので、ホワイトバランスに与える影響が大きいが、第３光路上のリレー光学系を適宜調節すること等によって、第３光変調装置上における緑色光の照度を簡易に調整することができる。つまり、ホワイトバランス調整用の常套手段であるＮＤフィルタ等を用いることなく緑色光の照度調整を行うことができるので、コントラストの劣化を伴うことなく精密かつ適正にホワイトバランスを調整することができる。
さらに、光学的調整手段が、第２ダイクロイック膜のうち第１ダイクロイック膜との交差によって２分割される第１及び第２面領域の間に設けた所定の傾斜角によって実現される。この場合、光合成光学系は、クロスダイクロイックプリズム等であり、第２ダイクロイック膜を構成する第１及び第２面領域の傾斜角の調節によって緑色光の像光サイズを簡易に調節することができる。

また、本発明の具体的側面又は態様では、投射光学系が、緑色光に対する青色光及び赤色光の倍率色収差が同符号で略等しくなるように補正する。この場合、青色光及び赤色光間の倍率色収差が正確に補正され、色ズレの少ない高画質の画像を投射することができる。また、投射光学系は赤色光および青色光の倍率色収差を発生させることができるため設計、製造が容易になる。なお、青色光や赤色光の緑色光に対する倍率色収差が正であるとき、両色光の投射倍率は緑色光の投射倍率よりも小さくなり、青色光や赤色光の緑色光に対する倍率色収差が負であるとき、両色光の投射倍率は緑色光の投射倍率よりも大きくなる。

また、本発明の別の具体的態様では、投射光学系の青色光及び赤色光に関する投射倍率が、緑色光に関する投射倍率よりも小さい。この場合、光学的調整手段が、緑色光の像光のサイズを小さくする働きを有することになる。なお、緑色光の相対的な投射倍率を低くすることは光学設計上比較的容易である。

また、本発明の別の具体的態様では、第１及び第２面領域の交線が、投射光学系によって投射される像の長手方向に垂直な方向に延びる。この場合、像の長手方向に関して緑色光の像光サイズを調節することになるので、色ズレの目立たない画像を投射することができる。

また、本発明の別の具体的態様では、光学的調整手段が、第３光変調装置から第２ダイクロイック膜にかけての光路上に設けたレンズ状の光学素子である。この場合、投射光学系によって投射される像の縦横の双方に関して緑色光の像光サイズを連続的に調節することができ、全体に亘って色ズレの目立たない画像を投射することができる。

また、本発明の別の具体的態様では、リレー光学系が、光入射側に配置される第１のレンズと、光射出側に配置される第２のレンズと、第１及び第２のレンズの間に配置される第３のレンズとを有する。この場合、緑色光による第３光変調装置の照明を均一で比較的低損失にできるだけでなく、第３のレンズの位置を適宜設定することで第３光変調装置上における第３色光の照度を簡易に設定することができる。

また、本発明の別の具体的態様では、第１ダイクロイック膜が、青色光を反射する。この場合、前記第１及び第２ダイクロイック膜が赤色光を透過させることになる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るプロジェクタを説明する図である。このプロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２０と、光源装置２０からの照明光を均一化する均一化光学系３０と、均一化光学系３０を経た照明光を赤・緑・青の３色に分割する色分離光学系４０と、色分離光学系４０から射出された各色の照明光によって照明される光変調部５０と、光変調部５０からの各色の変調光を合成するクロスダイクロイックプリズム６０と、クロスダイクロイックプリズム６０を経た像光をスクリーン（不図示）に投射する投射レンズ７０とを備える。なお、以上のうち、光源装置２０と均一化光学系３０とは、照明光を射出する照明装置として機能する。

ここで、光源装置２０は、略点状の発光部を形成するランプ本体２１と、ランプ本体２１から射出される光源光をコリメートするパラボラ形状の凹面鏡２２とを備える。このうち、ランプ本体２１は、例えば高圧水銀ランプ等のランプ光源からなり、略白色の光源光を発生する。また、凹面鏡２２は、ランプ本体２１から放射される光線を反射して、平行光束として均一化光学系３０に入射させる。なお、パラボラ形状の凹面鏡２２に変えて、球面や楕円面など、パラボラ形状ではない凹面鏡を用いても良い。このような、凹面鏡を用いた場合は、凹面鏡２２と均一化光学系３０との間に平行化レンズを配置すれば、光源装置２０から平行光束を射出することが可能となる。

均一化光学系３０は、一対のフライアイ光学系３１，３２と、波面分割光を重ね合わせるための重畳レンズ３３と、照明光を所定の偏光成分に変換する偏光変換部材３４とを備える。一対のフライアイ光学系３１，３２は、マトリックス状に配置された複数の要素レンズからなり、これらの要素レンズによって、光源装置２０からの照明光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材３４は、フライアイ光学系３１，３２から射出した照明光を一種類の偏光光（例えば図１の紙面に垂直なＳ偏光成分のみ）に変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ３３は、偏光変換部材３４を経た照明光を全体として適宜収束させて、光変調部５０に設けた各色の光変調装置に対する重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイ光学系３１，３２と重畳レンズ３３とを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系４０を経て、光変調部５０を構成する各色の光変調装置すなわち各色の液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇの画像形成領域を均一に重畳照明する。

色分離光学系４０は、第１及び第２ダイクロイックミラー４１ａ，４１ｂと、反射ミラー４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、フィールドレンズ４３ｒ，４３ｂと、第１〜第３のレンズ４５ａ，４５ｂ，４５ｃとを備える。第１ダイクロイックミラー４１ａは、赤・青・緑（Ｒ・Ｇ・Ｂ）の３色のうち青色光ＬＢを反射し、緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとを透過させる。また、第２ダイクロイックミラー４１ｂは、入射した緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲのうち赤色光ＬＲを反射し緑色光ＬＧを透過させる。この色分離光学系４０において、光源装置２０から均一化光学系３０を経て射出される照明光は、まず第１ダイクロイックミラー４１ａに入射する。第１ダイクロイックミラー４１ａで反射された青色光ＬＢは、第１光路ＯＰ１に導かれ、反射ミラー４２ａを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ４３ｂに入射する。また、第１ダイクロイックミラー４１ａを透過して第２ダイクロイックミラー４１ｂで反射された赤色光ＬＲは、第２光路ＯＰ２に導かれフィールドレンズ４３ｒに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー４１ｂを通過した緑色光ＬＧは、第３光路ＯＰ３に導かれ、反射ミラー４２ｂ，４２ｃを介して第１〜第３のレンズ４５ａ，４５ｂ，４５ｃを通過する。これらのレンズ４５ａ，４５ｂ，４５ｃを含んで構成されるリレー光学系は、光源装置２０から各色の液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇまでの光路の距離が最も長い緑色の第３光路ＯＰ３に配置されている。このリレー光学系は、第１のレンズ４５ａの像を、第２のレンズ４５ｂを介して、ほぼそのまま第３のレンズ４５ｃに伝達することにより、光の拡散等による光の利用効率の低下を防止している。

なお、リレー光学系のうち例えばレンズ４５ｂを光軸に沿って連続的或いは段階的に変位させることにより、液晶パネル５１ｇの位置における照明領域のサイズ、すなわち液晶パネル５１ｇの画像形成領域上における緑色光ＬＧの照度を任意に変化させることができる。つまり、液晶パネル５１ｂ及び５１ｒの画像形成領域上における青色光ＬＢや赤色光ＬＲの照度は変化せず一定であるのに対して、液晶パネル５１ｇの画像形成領域上における緑色光ＬＧの照度はレンズ４５ｂの位置に応じて変化する。これを利用すれば、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇを通過して合成され投射レンズ７０によってスクリーン上に投影される画像のホワイトバランスを光学的に調整することができる。

光変調部５０は、３色の照明光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧがそれぞれ入射する３つの液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇと、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇを挟むように配置される３組の偏光フィルタ５２ｂ，５２ｒ，５２ｇとを備える。ここで、例えば青色光ＬＢ用の液晶パネル５１ｂと、これを挟む一対の偏光フィルタ５２ｂ，５２ｂとは、照明光を２次元的に輝度変調するための液晶ライトバルブを構成する。同様に、赤色光ＬＲ用の液晶パネル５１ｒと、対応する偏光フィルタ５２ｒ，５２ｒも、液晶ライトバルブを構成し、緑色光ＬＧ用の液晶パネル５１ｇと、偏光フィルタ５２ｇ，５２ｇも、液晶ライトバルブを構成する。

光変調部５０において、第１光路ＯＰ１に導かれた青色光ＬＢは、フィールドレンズ４３ｂを介して液晶パネル５１ｂの画像形成領域に入射する。第２光路ＯＰ２に導かれた赤色光ＬＲは、フィールドレンズ４３ｒを介して液晶パネル５１ｒの画像形成領域に入射する。第３光路ＯＰ３に導かれた緑色光ＬＧは、レンズ４５ａ，４５ｂ，４５ｃからなるリレー光学系を介して液晶パネル５１ｇの画像形成領域に入射する。各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇは、入射した照明光の偏光方向の空間的分布を変化させるための非発光で透過型の光変調装置であり、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇにそれぞれ入射した各色光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧは、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて、画素単位で偏光状態が調整される。その際、偏光フィルタ５２ｂ，５２ｒ，５２ｇによって、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇから射出される光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。

クロスダイクロイックプリズム６０は、光合成光学系であり、平面上に形成された青色光反射用の第１ダイクロイック膜（具体的には誘電体多層膜）６１と、交線ＣＬの位置でわずかに屈曲する緑色光反射用の第２ダイクロイック膜（具体的には誘電体多層膜）６２とを、全体として直交させた状態で内蔵するものである。このクロスダイクロイックプリズム６０は、液晶パネル５１ｂからの青色光ＬＢを第１ダイクロイック膜６１で反射して進行方向左側に射出させ、液晶パネル５１ｒからの赤色光ＬＲを両ダイクロイック膜６１，６２を介して直進・射出させ、液晶パネル５１ｇからの緑色光ＬＧを第２ダイクロイック膜６２で反射して進行方向右側に射出させる。このようにクロスダイクロイックプリズム６０で合成された像光は、投射光学系である投射レンズ７０を経て適当な拡大率でスクリーン（不図示）にカラー画像として投射される。

図２（ａ）は、図１に示すクロスダイクロイックプリズム６０の構造を説明する平面図であり、図２（ｂ）は、クロスダイクロイックプリズム６０に含まれる一対のダイクロイック膜の配置関係を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、クロスダイクロイックプリズム６０は、底面が直角二等辺三角形となっている４つの直角プリズム６４ａ，６４ｂ，６４ｃ、６４ｄからなる。各直角プリズム６４ａ，６４ｂ，６４ｃ、６４ｄは、頂角同士を略一致させた状態で接着剤６６によって互いに貼り合わされており、全体として四角柱プリズムになっている。ここで、直角プリズム６４ａの直交する２側面ａ１，ａ２には、ダイクロイック膜が形成されていない。一方、直角プリズム６４ａに対向する直角プリズム６４ｂの直交する２側面ｂ１，ｂ２には、各ダイクロイック膜６１，６２を仮想的な交線ＣＬでそれぞれ２等分した一方である第１面領域６１ａ，６２ａが全面に形成されている。また、両直角プリズム６４ａ，６４ｂに挟まれた一方の直角プリズム６４ｃの直交する２側面ｃ１，ｃ２のうち片側の側面ｃ２には、第１ダイクロイック膜６１を２等分した他方である第２面領域６１ｂが形成されている。さらに、両直角プリズム６４ａ，６４ｂに挟まれた他方の直角プリズム６４ｄの直交する２側面ｄ１，ｄ２のうち片側の側面ｄ１にも、第２ダイクロイック膜６２を２等分した他方である第２面領域６２ｂが形成されている。

ここで、隣接する第１組の直角プリズム６４ａ，６４ｄの側面ａ２，ｄ１は平行な状態で対向しており、残った側面ａ１，ｄ２は同一平面上に配置されて固定されている。また、隣接する第２組の直角プリズム６４ｂ，６４ｃの側面ｂ２，ｃ１も平行な状態で対向しており、残った側面ｂ１，ｃ２は同一平面上に配置されて固定されている。ただし、第１組の直角プリズム６４ａ，６４ｄの側面ａ１，ｄ２と、第２組の直角プリズム６４ｂ，６４ｃの側面ｂ１，ｃ２とは、互いに対向するが、微小な傾斜角θを設けて互いに固定されている。この結果、ダイクロイック膜６２については、第１面領域６２ａと第２面領域６２ｂとが交線ＣＬを挟んで傾斜角θをなす。

図２（ｂ）は、クロスダイクロイックプリズム６０に含まれる一対のダイクロイック膜６１，６２の配置関係を説明する図である。一方の第１ダイクロイック膜６１を構成する第１面領域６１ａと第２面領域６１ｂとは、交線ＣＬを通る同一平面上に配置されている。他方の第２ダイクロイック膜６２を構成する第１面領域６２ａと第２面領域６２ｂとは、基準角からずれた状態、すなわち交線ＣＬを挟んでわずかな傾斜角θを有した状態で配置されている。このように、第１及び第２面領域６２ａ，６２ｂが互いにわずかに傾いた状態となっている場合、全体としての第２ダイクロイック膜６２は、緑色光ＬＧの像光のサイズを、青色光ＬＢや赤色光ＬＲの像光のサイズに対して相対的に増減させる光学的調整手段として機能する。

図３は、図２（ａ）に示すクロスダイクロイックプリズム６０の変形例を示す図である。このクロスダイクロイックプリズム６０は、２つの準直角プリズム１６４ａ，１６４ｄと、２つの直角プリズム６４ｂ，６４ｃとからなる。この場合、準直角プリズム１６４ａ，１６４ｄの頂角は、それぞれ（９０°−θ）、（９０°＋θ）となっている。これにより、各プリズム１６４ａ，１６４ｄ，６４ｂ，６４ｃの側面を等しい厚さの接着剤６６によって平行に貼り合わせるだけの単純な作業で、一方の第１ダイクロイック膜６１を構成する両面領域６１ａ，６１ｂを同一平面上に配置しつつ、他方の第２ダイクロイック膜６２を構成する両面領域６２ａ，６２ｂの間に交線ＣＬを挟んでわずかな傾斜角θを持たせることができる。

図４は、図２及び図３に示すクロスダイクロイックプリズム６０の働きを概念的に説明する図である。図４（ａ）に示すように、液晶パネル５１ｇの両端を通過した緑色の像光のうち、クロスダイクロイックプリズム６０の交線ＣＬに関して紙面右側に入射する緑色光ＬＧ１は、第１面領域６２ａで反射されてクロスダイクロイックプリズム６０外に射出され、反転投射型の投射レンズ７０を経てスクリーンＳＣに投影される。また、液晶パネル５１ｇの両端を通過した緑色の像光のうち、クロスダイクロイックプリズム６０の交線ＣＬに関して紙面左側に入射する緑色光ＬＧ２は、第２面領域６２ｂで反射されてクロスダイクロイックプリズム６０外に射出され、反転投射型の投射レンズ７０を経てスクリーンＳＣに投影される。この際、第１面領域６２ａは、第２面領域６２ｂに対してわずかに傾斜しており、傾斜のない仮想的面領域６２ｂ’で反射されて投射レンズ７０を経てスクリーンＳＣに投影される仮想的な緑色光ＬＧ２’に比較して光軸ＯＡ側に入射する。つまり、わずかに折れ曲がって突起した第２ダイクロイック膜６２によって反射されて投射レンズ７０を経てスクリーンＳＣに投影される緑色光ＬＧ１，ＬＧ２の投影幅は、第２ダイクロイック膜６２を平坦にした通常のプロジェクタの投影幅よりも狭くなっている。このことは、図４に示すクロスダイクロイックプリズム６０の存在によって、スクリーンＳＣ上における緑色の投影像の幅を交線ＣＬに垂直な方向（画面横方向）に関して任意に減少させ得ることを意味し、他の赤色光ＬＲや青色光ＬＢに関してはこのような作用がないので、結果的に、緑色の投影像の倍率収差のみを横方向に関して独立して補正することができる。

図４（ｂ）に示すように、液晶パネル５１ｇを図４（ａ）の状態から紙面右側に微小変位させることにより、スクリーンＳＣに投影される緑色光ＬＧ１，ＬＧ２の位置を全体として紙面上方（画面左方向）に移動させることができる。図示の場合、緑色光ＬＧ１，ＬＧ２のスクリーンＳＣ上における入射位置は、仮想的面領域６２ｂ’等で反射される仮想的な緑色光ＬＧ１’，ＬＧ２’から等距離だけ内側となっている。これにより、緑色の投影像の中心を光軸ＯＡと一致させることができ、スクリーンＳＣに投影されるカラー画像の周辺（特に画面の両脇）に色滲みが発生することを防止することができる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、緑色の投影像を説明する図である。図５（ａ）において、点線で示す領域ＡＧ０は、ダイクロイック膜６２を平坦化した場合の仮想的な画像投影領域を示し、実線で示す領域ＡＧ１は、本実施形態のダイクロイック膜６２を用いているが液晶パネル５１ｇの位置調整前における画像投影領域を示す。なお、領域ＡＧ０において、長手方向である画面横方向の両端は、図４（ａ）の緑色光ＬＧ１，ＬＧ２’に対応している。また、領域ＡＧ１において、画面横方向の両端は、図４（ａ）の緑色光ＬＧ１，ＬＧ２に対応している。

図５（ｂ）において、実線で示す領域ＡＧ２は、本実施形態のダイクロイック膜６２を用いるとともに液晶パネル５１ｇの位置調整後における画像投影領域を示す。なお、領域ＡＧ２において、長手方向である画面横方向の両端は、図４（ｂ）の緑色光ＬＧ１，ＬＧ２に対応している。

図５（ｃ）は、色合成の結果を示すもので、ダイクロイック膜６２を構成する両面領域６２ａ，６２ｂ間に設けた傾斜角θの調整によって、緑色光ＬＧの画像投影領域ＡＧ２を、他の赤色光ＬＲや青色光ＬＢの画像投影領域ＡＲＢ０と略一致させた状態としている。図５（ｃ）に示すような状態では、各色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを合成したカラー画像の周囲に滲みがほとんど発生せず、各色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢの画素位置もほぼ一致させることができる。よって、色ずれのない精細なカラー画像がスクリーン上に投射される。

図６は、投射レンズ７０の色収差を説明するグラフである。横軸は緑色光を基準とした収差量（倍率色収差）を示し、縦軸は像高を示す。グラフにおいて、実線は青色光の倍率色収差を示し、点線は赤色光の倍率色収差を示す。グラフからも明らかなように、青色光と赤色光の倍率色収差は像高値に関わらず略一致している。つまり、この投射レンズ７０については、青色光と赤色光とに関して互いに色収差が補正されているが、緑色光に関しては相対的に大きな色収差が残っていると見ることができる。このような緑色光に関する相対的な倍率色収差は、図２等に示すクロスダイクロイックプリズム６０によって、図５に示すような緑色光ＬＧの画像縮小作用を発揮させることでキャンセルされる。

なお、図６のグラフに示すような倍率色収差を有する投射レンズ７０は、赤・緑・青の各色に対してほぼ完全に倍率色収差を補正した高精度の色消し型のレンズに比較して、比較的簡単かつ安価に製造することができる。さらに、赤色及び緑色に対してほぼ完全に倍率色収差を補正した投射レンズでは、青色の収差が大きくなる。つまり、赤色及び緑色に対して倍率色収差を補正した投射レンズにおいて青色について残る収差は、赤色及び青色に対して倍率色収差を補正した投射レンズにおいて緑色について残る収差よりも大きくなっており、青色についての補正量を大きくする必要が生じる。

以下、本実施形態に係るプロジェクタ１０の動作について説明する。光源装置２０からの照明光は、均一化光学系３０を経て均一化されその偏光方向が揃えられた後、色分離光学系４０に設けた第１及び第２ダイクロイックミラー４１ａ，４１ｂによって色分割され、対応する液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇに各色光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧとしてそれぞれ入射する。各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇは、外部からの画像信号によって変調されて２次元的屈折率分布を有しており、各色光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧを２次元空間的に画素単位で変調する。このように、各液晶パネル５１ｂ，５１ｒ，５１ｇで変調された各色光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧすなわち像光は、クロスダイクロイックプリズム６０で合成された後、投射レンズ７０に入射する。投射レンズ７０に入射した像光は、不図示のスクリーンに投影される。

なお、本プロジェクタ１０では、クロスダイクロイックプリズム６０に内蔵された緑色光ＬＧ反射用のダイクロイック膜６２を構成する第１面領域６２ａと第２面領域６２ｂとが所定の傾斜角θで互いにわずかに傾いて形成されている。これにより、緑色光ＬＧに対応する像光のサイズを、相互に色収差が補正された残りの色光ＬＢ，ＬＲに対応する像光のサイズに対応させて独立して調節することができるので、投射レンズ７０の緑色光ＬＧに対する残りの色光ＬＢ，ＬＲの倍率色収差が前段のクロスダイクロイックプリズム６０との間でキャンセルされる。つまり、緑色反射用のダイクロイック膜６２に傾斜角を設けただけの簡単な構造のクロスダイクロイックプリズム６０と、緑色を除く２色について色補正された投射レンズ７０との協働によって、すべての色光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧについて倍率色収差を略キャンセルすることができる。よって、投射レンズ７０等が比較的安価で設計容易であるにも拘わらず、スクリーン上に投影されるカラー画像は、精細で色ずれのない高画質なものとなっている。

また、本プロジェクタ１０では、緑色の第３光路ＯＰ３に配置されたレンズ４５ｂ等の変位を利用して液晶パネル５１ｇの画像形成領域上における緑色光ＬＧの照度を調整することができる。一般に、緑色光ＬＧは、視感度が比較的高いので、ホワイトバランスに与える影響が大きい。また、高圧水銀ランプからなるランプ本体２１を備える光源装置２０は、緑色光ＬＧの相対的光量にバラツキが生じやすい。よって、レンズ４５ｂ等の変位を利用して液晶パネル５１ｇの画像形成領域上における緑色光ＬＧの照度を調整することで、プロジェクタ１０のホワイトバランスを効率良く調整することが可能である。なお、高圧水銀ランプの場合、緑色光ＬＧの光量が青色光ＬＢや赤色光ＬＲの光量に比較して多くなる傾向があるので、レンズ４５ｂの変位によって照明領域が拡大することで多少の光量損失が生じても、ホワイトバランスの調整にとって不利には働かない。むしろ、光源装置２０からの照明光を最大限活用できる点で、本プロジェクタ１０の構成により、自然な色温度を達成しつつ最も明るい画像を投射することができる。

また、ホワイトバランスに影響を与える原因としては、ランプの相対的光量のバラツキの他、液晶パネル５１ｇの特性のばらつきや、ダイクロイックミラー４１ａ，４１ｂ及びクロスダイクロイックプリズムの波長選択特性のバラツキなども考えられるが、本実施形態のプロジェクタによれば、緑色光ＬＧの光量にバラツキを生じさせる各種要因にかかわらず、プロジェクタ１０のホワイトバランスをほぼ目標値に設定することができ、その際、画像の明るさやコントラストを犠牲にすることもない。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のプロジェクタについて説明する。第２実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタをクロスダイクロイックプリズムの構造に関して変更したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様の構成となっているものとする。

図７は、第２実施形態のプロジェクタにおけるクロスダイクロイックプリズム１６０の構造を説明する斜視図である。このクロスダイクロイックプリズム１６０は、青色光ＬＢを反射する第１ダイクロイック膜６１と、緑色光ＬＧを反射する第２ダイクロイック膜１６２とを備える。後者の第２ダイクロイック膜１６２は、第１〜第４面領域ＳＡ１〜ＳＡ４に分割されており、このうち交線ＣＬを挟んで一方にある第１及び第２面領域ＳＡ１，ＳＡ２と、他方にある第３及び第４面領域ＳＡ３，ＳＡ４とは、交線ＣＬに関して互いに微小角（図２の傾斜角θ程度）をなす。また、図面上側の第１及び第３面領域ＳＡ１，ＳＡ３と、図面下側の第２及び第４面領域ＳＡ２，ＳＡ４とは、境界線ＢＬを境として互いに微小角（図２の傾斜角θ程度）をなす。これにより、ダイクロイック膜１６２は、緑色光ＬＧの入射方向に微少量だけ突起した四角錐の４側面と同一形状となっている。

以上のようなクロスダイクロイックプリズム１６０を用いた場合、スクリーン上における緑色の投影像の幅を交線ＣＬに垂直な方向（画面横方向）に関してのみならず、交線ＣＬに平行な方向（画面縦方向）に関しても減少させることができる。これにより、赤色光ＬＲや青色光ＬＢの投影倍率を維持したままで、緑色光ＬＧの投倍率のみを縦横の双方に関して単独で補正することができる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態のプロジェクタについて説明する。第３実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタをクロスダイクロイックプリズムの構造に関して変更したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様の構成となっているものとする。

図８は、第３実施形態のプロジェクタにおけるクロスダイクロイックプリズム２６０の構造を概念的に説明する図である。このクロスダイクロイックプリズム２６０も、青色光ＬＢを反射する第１ダイクロイック膜６１と、緑色光ＬＧを反射する第２ダイクロイック膜２６２とを備える。後者の第２ダイクロイック膜２６２は、第１面領域２６２ａと第２面領域２６２ｂとからなり、両面領域２６２ａ，２６２ｂは、交線ＣＬを含む同一平面内にある。つまり、クロスダイクロイックプリズム２６０に内蔵されている一対のダイクロイック膜６１，２６２には、倍率色収差を補正する機能はないが、クロスダイクロイックプリズム２６０のうち緑色光ＬＧが入射する側面ＳＳＧに薄いレンズ２６８が形成されている。このレンズ２６８は、投射レンズ７０によってスクリーンＳＣ上に投射される緑色光の像光サイズを調節するための光学素子である。なお、レンズ２６８は、クロスダイクロイックプリズム２６０と一体化したもとすることができるが、クロスダイクロイックプリズム２６０とは別体として製造したものを後で貼り付けたものとすることもできる。

以上のようなクロスダイクロイックプリズム２６０を用いた場合も、スクリーンＳＣ上における緑色の投影像の幅を画面横方向及び縦方向に関して減少させることができ、他の赤色光ＬＲや青色光ＬＢの投影倍率を維持したままで、緑色光ＬＧの投倍率のみを縦横双方に関して単独で補正することができる。

なお、この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態のプロジェクタ１０では、光源装置２０として高圧水銀ランプを用いているが、高圧水銀ランプの代わりに、メタルハライドランプ等他のランプを用いることもできる。この場合も、クロスダイクロイックプリズム６０，１６０，２６０により、緑色に関してのみ色倍率収差を補正することができ、リレー光学系を構成するレンズ４５ａ，４５ｂ，４５ｃのいずれかの位置を調節することによって、上記ランプ光源からの照明光のホワイトバランスを適宜調整することができる。

また、第１実施形態では、クロスダイクロイックプリズム６０において、微小な傾斜角で折れ曲がったダイクロイック膜６２を用いて緑色の色倍率収差を画面横方向に関して補正しているが、このダイクロイック膜６２は、シリンドリカル面のような適当な曲率を有する曲面に置き換えることができる。また、第２実施形態では、ダイクロイックプリズム１６０において、四角錐状に突起するダイクロイック膜１６２を用いて緑色の色倍率収差を画面の縦横方向に関して補正しているが、このダイクロイック膜１６２は、適当な曲率を有する球面に置き換えることができる。

また、上記実施形態では、投射レンズ７０において、赤色光ＬＲや青色光ＬＢの画像投影領域が緑色光ＬＧの画像投影領域よりも小さくなるような色収差が残っているとしているが、赤色光ＬＲや青色光ＬＢの画像投影領域が緑色光ＬＧの画像投影領域よりも大きくなるような色収差が残っている場合も考えられる。この場合、例えば第１実施形態においては、ダイクロイック膜６２を構成する一対の面領域６２ａ，６２ｂの傾斜方向の符号（凸の向き）を入れ替えて緑色光ＬＧの入射方向に凹とすることで、緑色光ＬＧの画像投影領域を他の色光ＬＲ，ＬＢの画像投影領域に近似させることができる。また、第２実施形態においては、ダイクロイック膜１６２を構成する４つの面領域ＳＡ１〜ＳＡ４を緑色光ＬＧの入射方向に凹とすることで、緑色光ＬＧの画像投影領域を他の色光ＬＲ，ＬＢの画像投影領域に一致させることができる。

また、上記実施形態では、ダイクロイック膜６１が青色光ＬＢを反射する特性を有するとするが、ダイクロイック膜６１が赤色光ＬＲを反射する特性を有することも可能である。この場合、青色光ＬＢと赤色光ＬＲの光路を入れ替える。

また、上記実施形態では、光源装置２０からの光を複数の部分光束に分割するため、２つのフライアイ光学系３１，３２を用いていたが、この発明は、このようなフライアイ光学系すなわちレンズアレイを用いないプロジェクタにも適用可能である。さらに、フライアイ光学系３１，３２をロッドインテグレータに置き換えることもできる。

また、上記プロジェクタ１０において、光源装置２０からの光を特定方向の偏光とする偏光変換部材３４を用いていたが、この発明は、このような偏光変換部材３４を用いないプロジェクタにも適用可能である。

また、上記実施形態では、透過型のプロジェクタに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型プロジェクタにも適用することが可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含むライトバルブが光を透過するタイプであることを意味しており、「反射型」とは、ライトバルブが光を反射するタイプであることを意味している。反射型プロジェクタの場合、ライトバルブは液晶パネルのみによって構成することが可能であり、一対の偏光板は不要である。なお、光変調装置は液晶パネル等に限られず、例えばマイクロミラーを用いた光変調装置であってもよい。

また、プロジェクタとしては、投射面を観察する方向から画像投射を行う前面プロジェクタと、投射面を観察する方向とは反対側から画像投射を行う背面プロジェクタとがあるが、図１に示すプロジェクタの構成は、いずれにも適用可能である。

第１実施形態に係るプロジェクタの光学系を説明する図である。 （ａ）は、ダイクロイックプリズムの構造を説明する平面図であり、（ｂ）は、ダイクロイック膜の配置関係を説明する図である。 図２（ａ）に示すダイクロイックプリズムの変形例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、ダイクロイックプリズムの働きを説明する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、緑色の投影像の形成を説明する図である。 投射レンズの色収差を説明するグラフである。 第２実施形態のクロスダイクロイックプリズムの構造を説明する斜視図である。 第３実施形態のクロスダイクロイックプリズムの構造を説明する斜視図である。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２０…光源装置、 ２１…ランプ本体、 ３０…均一化光学系、 ３１，３２…フライアイ光学系、 ３４…偏光変換部材、 ４０…色分離光学系、 ４１ａ，４１ｂ…ダイクロイックミラー、 ４３ｒ，４３ｂ…フィールドレンズ、 ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ…リレー光学系のレンズ、 ５０…光変調部、 ５１ｂ，５１ｒ，５１ｇ…液晶パネル、 ５１ｂ，５１ｒ，５１ｇ…各液晶パネル、 ６０…クロスダイクロイックプリズム、 ６１，６２…ダイクロイック膜、 ６２ａ…第１面領域、 ６２ｂ…第２面領域、 ６４ａ，６４ｂ，６４ｃ、６４ｄ…直角プリズム、 ６６…接着剤、 ７０…投射レンズ、 ＣＬ…交線、 ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ…各色光、 ＯＰ１…第１光路、 ＯＰ２…第２光路、 ＯＰ３…第３光路、 θ…傾斜角

Claims (7)

1. 照明光を射出する照明装置と、
   前記照明装置から射出された照明光から青色光、赤色光、及び緑色光を分岐して、前記青色光及び赤色光を、第１及び第２光路にそれぞれ導き、前記緑色光を、リレー光学系が設けられた第３光路に導く色分離光学系と、
   前記第１から第３光路上にそれぞれ配置され、前記青色光、赤色光、及び緑色光によってそれぞれ照明される第１から第３光変調装置と、
   前記青色光及び赤色光のいずれか一方を反射する第１ダイクロイック膜と、前記緑色光を反射する第２ダイクロイック膜とを交差させた状態で有するとともに、前記第１から第３光変調装置から射出される各色の像光を、前記第１及び第２ダイクロイック膜に対して互いに異なる所定方向からそれぞれ入射させることによって合成する光合成光学系と、
   前記光合成光学系から射出される合成光を、前記緑色光に対する前記青色光及び赤色光の倍率色収差がともに同符号となるように補正しつつ像光として投射する投射光学系と、
   前記光合成光学系から射出される合成光のうち前記緑色光に対応する像光のサイズを、前記青色光及び赤色光の像光のサイズに対応させて調節する光学的調整手段と、を備え、
   前記光学的調整手段は、前記第２ダイクロイック膜のうち前記第１ダイクロイック膜との交差によって２分割される第１及び第２面領域の間に設けた所定の傾斜角によって実現されることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記投射光学系は、前記緑色光に対する前記青色光及び赤色光の倍率色収差が同符号で略等しくなるように補正することを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
3. 前記投射光学系の前記青色光及び赤色光に関する投射倍率は、前記緑色光に関する投射倍率よりも小さいことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載のプロジェクタ。
4. 前記第１及び第２面領域の交線は、前記投射光学系によって投射される像の長手方向に垂直な方向に延びることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
5. 前記光学的調整手段は、前記第３光変調装置から前記第２ダイクロイック膜にかけての光路上に設けたレンズ状の光学素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載のプロジェクタ。
6. 前記リレー光学系は、光入射側に配置される第１のレンズと、光射出側に配置される第２のレンズと、前記第１及び第２のレンズの間に配置される第３のレンズとを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載のプロジェクタ。
7. 前記第１ダイクロイック膜は、前記青色光を反射することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項記載のプロジェクタ。

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