JP2005031436A - 照明装置及びこれを備えたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】特定色のみにリレー光学系を設けた場合にも色むらが発生しないプロジェクタを提供すること。
【解決手段】光源装置２１からの光源光は、光分割光学系２３に設けた第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂによって色分割され、Ｒ光及びＧ光はそのまま、Ｂ光はリレー光学系２４を経て、それぞれ対応する液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに照明光として入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃ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、照明光を２次元空間的に画素単位で変調する。この際、高品位のリレー光学系２４を光分割光学系２３内に組み込んでいるので、Ｒ光及びＧ光に対して光路長の異なるＢ光についても均一な照明が達成される。よって、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを中央部及び周辺部を含む全体で均一に照明することができ、投射画像についても色むらの無い高品位の画質とすることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示パネルその他の空間光変調装置を用いて画像を投射するプロジェクタ用の照明装置及びこれを組み込んだプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の投射型表示装置は、ダイクロイックミラーによって光源をＲＧＢの三色に分解する色分解手段と、特定色について光路長を延長するリレー光学系と、三色を個別に変調する液晶と、液晶による変調光をクロスダイクロイックプリズムで三色合成する光合成手段とを有し、これらの働きによってスクリーン上に変調後の合成画像を投射する（特許文献１参照）。このような投射型表示装置では、３枚レンズ構成のリレー光学系が用いられており、同一形状の平凸レンズで外側に凸面となるように配置された一対の入力側レンズ及び出力側レンズの中間位置に、両面同曲率凸面からなる中央レンズが配置されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４０３６３号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなリレー光学系では、出力側の照射面において例えば歪曲収差や非点収差等の収差がかなり発生し、かかる収差によって、リレー光学系を設けた色の照明光の照度分布が他の色の照明光の照度分布との関係で非一様となって、投射された画面に色むらが発生する場合がある。
【０００４】
そこで、本発明は、特定色のみにリレー光学系を設けた場合にも色むらが発生しないプロジェクタ用の照明装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクタ用の照明装置は、（ａ）光源から射出された光源光から各色の照明光を分割する色分割光学系と、（ｂ）分割された各色の照明光の少なくとも１つの色の照明光の光路上に配置されて、当該少なくとも１つの色の照明光の光路の他の色の照明光の光路に対する光路差を補償するためのリレー光学系とを備える。後者のリレー光学系は、入射側に配置され正のパワーを有する入射レンズと、射出側に配置され正のパワーを有する射出レンズと、入射レンズと射出レンズとの間に互いに近接配置されて全体として正のパワーを有する一対のレンズを含む中間レンズ群とを有する。
【０００６】
上記照明装置では、少なくとも１つの色の照明光の光路上に配置されるリレー光学系が、入射レンズと射出レンズとの間に互いに近接配置されて全体として正のパワーを有する一対のレンズを含む中間レンズ群を有するので、これら一対のレンズの設計値を適宜設定することによって、色むらの原因となる収差の発生を抑制することができる。つまり、リレー光学系を設けた色に関して照明光の照度分布を一様とすることができ、投射される画像に目障りな色むらが発生することを確実に防止できる。
【０００７】
本発明の具体的態様では、上記照明装置において、中間レンズ群を構成する一対のレンズが、略同一形状の凸面及び略平面をそれぞれ備えるとともに、凸面同士を対面させた状態で配置される。この場合、一対のレンズについては歪曲収差や非点収差等の諸収差の発生を抑えることができるので、リレー光学系の出力側の照射面を対応する色によって均一に照明することができる。
【０００８】
本発明の別の具体的態様では、中間レンズ群を構成する一対のレンズが、入射レンズと射出レンズとの略中間位置に配置され、中間レンズ群の焦点距離が、入射レンズと射出レンズとの間隔の略（１／４）に等しい。この場合、入射レンズの近傍に形成される第１次の照射面が射出レンズの近傍に形成される第２次の照射面に正確に投影され、歪曲収差やコマ収差が発生しにくいので、より均一な照明が可能になる。
【０００９】
本発明の別の具体的態様では、入射レンズと射出レンズとは近似するパワーを有する。この場合、中間レンズ群との協動によって、リレー光学系の各像光において主光線を光軸に略平行することができるので、射出レンズの近傍に形成される第２次の照射面の各部が、均一な角度分布で照明される。
【００１０】
本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述の照明装置と、（ｂ）各色の照明光によってそれぞれ照明されるとともに各色の照明光を個別に変調する複数の空間光変調装置と、（ｃ）各色の照明光を複数の空間光変調装置によって変調することによって得られる各色の像光を合成して射出する光合成部材と、（ｄ）光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系とを備える。ここで、「空間光変調装置」とは、例えば液晶ライトバルブ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等に代表される非発光型の表示デバイスである。この場合、リレー光学系を設けた色についても他の照明光と調和させつつ空間光変調装置の被照射面における照度分布を一様とすることができ、投射される画像に色むらが発生することを確実に防止できるので、高品位の画像を投射することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る照明装置を組み込んだプロジェクタの構造について図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１は、第１実施形態におけるプロジェクタの光学系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２１と、光源装置２１からの光源光をＲＧＢの３色に分割する光分割光学系２３と、光分割光学系２３中に組み込まれてＢ光の光路を延長するリレー光学系２４と、光分割光学系２３等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２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成するための光合成部材であるクロスダイクロイックプリズム２７と、クロスダイクロイックプリズム２７を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。このうち、光源装置２１、光分割光学系２３、及びリレー光学系２４は、照明装置を構成する。
【００１３】
光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、一対のフライアイ光学系２１ｂ，２１ｃと、偏光変換部材２１ｄと、重畳レンズ２１ｅとを備える。ここで、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光をコリメートするための凹面鏡を備える。また、一対のフライアイ光学系２１ｂ，２１ｃ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ランプ２１ａからの光源光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材２１ｄは、フライアイ２１ｃから射出した光源光を図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２１ｅは、偏光変換部材２１ｄを経た照明光を全体として適宜収束させて、各色の空間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２１ｂ，２１ｃと重畳レンズ２１ｅとを経た照明光は、以下に詳述する光分割光学系２３を経て、光変調部２５に設けられた各色の空間光変調装置すなわち各色の液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを均一に重畳照明する。
【００１４】
光分割光学系２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂと２つのフィールドレンズ２３ｆ，２３ｇとを備え、光源装置２１とともに照明装置を構成する。第１ダイクロイックミラー２３ａは、ＲＧＢの３色のうちＲ光を反射しＧ光及びＢ光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、ＧＢの２色のうちＧ光を反射しＢ光を透過させる。この光分割光学系２３において、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、Ｓ偏光のまま、反射ミラー２３ｉを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｆに入射する。また、第１ダイクロイックミラー２３ａを通過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、λ／２位相差板２３ｄを経てＳ偏光からＰ偏光に変換されてフィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過したＢ光は、Ｓ偏光のまま、光路差を補償するためのリレー光学系２４に入射する。
【００１５】
上述のリレー光学系２４において、第２ダイクロイックミラー２３ｂからのＢ光は、両凸の入射レンズＬＬ１、第１反射ミラー２４ａ、一対の平凸レンズからなる中間レンズ群ＬＬ２、及び第２反射ミラー２４ｂを経て、入射角度を調節するためのフィールドレンズを兼ねる射出レンズＬＬ３に入射する。このようなリレー光学系２４を設けることにより、クロスダイクロイックプリズム２７の三面に対向して配置される各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに対して等価な照明が可能になる。
【００１６】
図２は、リレー光学系２４の具体的実施例を説明する図である。光源装置２１の光源面から射出した照明光ＩＬは、重畳レンズ２１ｅを経て、入射レンズＬＬ１に入射する。この際、照明光ＩＬは、図示を省略する第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂ（図１参照）によってＢ光のみとされている。入射レンズＬＬ１に入射して集光されたＢ光は、一対の平凸レンズからなる中間レンズ群ＬＬ２を経て射出レンズＬＬ３に入射し、これをほぼ平行光束として射出した後に、液晶ライトバルブ２５ｃを均一な状態で照明する。なお、入射レンズＬＬ１の近傍に示される照射面Ｓ１は、液晶ライトバルブ２５ｃの照射面Ｓ２と共役関係になっている。以下の表１は、図２の実施例に対応するもので、主にリレー光学系２４の諸元を示す表である。
【表１】

以上のリレー光学系２４では、中間レンズ群ＬＬ２が一対のレンズＬＬ２ａ，ＬＬ２ｂで構成されるので、一対のレンズＬＬ２ａ，ＬＬ２ｂによる結像に関して歪曲収差、像面湾曲、非点収差等の諸収差（ペッツバール和の増加を含む）の発生を抑えることができ、リレー光学系２４を経たＢ光による液晶ライトバルブ２５ｃの照度分布を一様とすることができ、さらには、投射される画像に発生する色むらを極めて低レベルに抑えることができる。また、中間レンズ群ＬＬ２を構成する一対のレンズＬＬ２ａ，ＬＬ２ｂが、入射レンズＬＬ１と射出レンズＬＬ３との略中間位置に配置され、中間レンズ群ＬＬ２全体としての焦点距離が、入射レンズＬＬ１と射出レンズＬＬ３との間隔の約（１／４）に略等しくなっているので、入射レンズＬＬ１の直後に形成される照射面Ｓ１が射出レンズＬＬ３の直後に形成される照射面Ｓ２に正確に投影され、歪曲収差やコマ収差が発生しにくいので、より均一な照明が可能になる。さらに、入射レンズＬＬ１と射出レンズＬＬ３とが近似するパワーを有するので、中間レンズ群ＬＬ２との協動によって、リレー光学系２４によって投射される各照明光に関して主光線が光軸に略平行になり、射出レンズＬＬ３の近傍に形成される液晶ライトバルブ２５ｃの各部が均一な角度分布で照明されるので、この観点でも、色むらの発生を防止できる。
【００１７】
図３は、光源装置２１、リレー光学系２４等におけるＢ光の具体的な光線の状態を説明する図である。図４は、図３に示すような照明を行った場合におけるＢ光用の液晶ライトバルブ２５ｃの位置（目的とする被照射面）における照度分布を説明する図である。矩形の照明領域ＩＡは、液晶ライトバルブ２５ｃの有効領域ＥＡを十分にカバーしており、有効領域ＥＡ内で十分均一な照度分布が達成されている。図５は、図４の照度分布をＡＡ線に関して切り出したグラフである。グラフからも明らかなように、Ｂ光及びＧ光ともに周辺部までほぼ均一な照度分布が達成されている。
【００１８】
図６は、リレー光学系２４を従来型の比較例に変更した場合におけるＢ光の具体的な光線の状態を説明する図である。この場合、入射レンズＬＬ１に入射して集光されたＢ光は、両凸レンズからなる中間レンズ群ＬＬ２’を経て射出レンズＬＬ３に入射する。なお、入射レンズＬＬ１の近傍に示される照射面Ｓ１は、液晶ライトバルブ２５ｃの照射面Ｓ２と共役になっている。以下の表２は、図６の比較例の諸元を示す表である。
【表２】

【００１９】
図７は、図６に示すような照明を行った場合におけるＢ光用の液晶ライトバルブの位置における照度分布を説明する図である。矩形の照明領域ＩＡは、液晶ライトバルブ２５ｃの有効領域ＥＡをカバーするようなものとなっているが、中央と周辺部とで照度が異なる。図８は、図７の照度分布をＡＡ線に関して切り出したグラフであるが、Ｂ光については、中央に対して周辺部で増光する不均一な照度分布となっている。この結果、中央部と周辺部とで照明光の色バランスが崩れるので、投射像についても色むらが発生して画質が劣化する。
【００２０】
図１に戻って、光変調部２５は、それぞれが空間光変調装置である３つの液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃと、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ〜２５ｇとを備える。第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、フィールドレンズ２３ｆを介して液晶ライトバルブ２５ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを透過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、λ／２位相差板２３ｄ及びフィールドレンズ２３ｇを介して液晶ライトバルブ２５ｂに入射する。両２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂを透過してリレー光学系２４を通過したＢ光は、射出レンズＬＬ３を介して液晶ライトバルブ２５ｃに入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調する非発光型の空間光変調装置であり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃ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変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ〜２５ｇによって、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。
【００２１】
クロスダイクロイックプリズム２７は、Ｒ光反射用の誘電体多層膜２７ａとＢ光反射用の誘電体多層膜２７ｂとを直交させた状態で内蔵する光合成部材であり、液晶ライトバルブ２５ａからのＲ光を誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶ライトバルブ２５ｂからのＧ光を誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを介して直進・射出させ、液晶ライトバルブ２５ｃからのＢ光を誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。このようにして、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された合成光は、投射レンズ２９を経てスクリーン上に投射される。この際、液晶ライトバルブ２５ａ，２５ｃから射出される像光を両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂに垂直な入射面に対して垂直方向に振動するＳ偏光とし、液晶ライトバルブ２５ｂから射出される像光を上記入射面内で振動するＰ偏光とすることによって、誘電体多層膜２７ａ，２７ｂによるＲ，Ｂ光の反射効率を高めつつ、両誘電体多層膜２７ａ，２７ｂによるＧ光の透過効率を高めている。
【００２２】
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２１からの光源光は、光分割光学系２３に設けた第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂによって色分割され、Ｒ光及びＧ光はそのまま、Ｂ光はリレー光学系２４を経て、それぞれ対応する液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに照明光として均一に入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃ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、照明光を２次元空間的に画素単位で変調する。このように、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃで変調された照明光すなわち像光は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された後投射レンズ２９に入射し、不図示のスクリーンに適当な倍率で投影される。この際、高品位のリレー光学系２４を光分割光学系２３内に組み込んでいるので、Ｒ光及びＧ光に対して光路長の異なるＢ光についても均一で損失の少ない照明光が得られるので、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを中央部及び周辺部を含む全体において均一かつ十分な強度で照明することができ、投射画像についても色むらの無い高品位の画質とすることができる。
【００２３】
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、各色の照明光のうちＢ光について光路長を延長してそれを補償するようにリレー光学系２４を設けているが、他のＲ光やＧ光のいずれかの光路を他のものと比較して長くする場合にも、上記実施形態のリレー光学系２４と同様のリレー光学系を延長されるべき光路上に配置することができる。さらに、Ｒ光及びＢ光といった一対の光路が他のＧ光に比較して長くかつ等しくなるように設計されている場合にも、かかるＲ光やＢ光の光路上に本実施形態のリレー光学系２４と同様のリレー光学系を配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のプロジェクタの光学系を説明する図である。
【図２】リレー光学系の具体的実施例を説明する図である。
【図３】リレー光学系等におけるＢ光の具体的な光線の状態を説明する図である。
【図４】図３の照明に対応するＢ光の照度分布を説明する図である。
【図５】液晶ライトバルブの中央を横切る照度分布を説明する図である。
【図６】比較例のリレー光学系等におけるＢ光の状態を説明する図である。
【図７】図６の照明に対応するＢ光の照度分布を説明する図である。
【図８】液晶ライトバルブの中央を横切る照度分布を説明する図である。
【符号の説明】
２１ 光源装置、 ２１ａ 光源ランプ、 ２１ｄ 偏光変換部材、 ２３ 光分割光学系、 ２３ａ 第１ダイクロイックミラー、 ２３ｂ 第２ダイクロイックミラー、 ２３ｃ 第３ダイクロイックミラー、 ２３ｄ（λ／２）板、 ２４ リレー光学系、 ２５ 光変調部、 ２５ａ〜２５ｃ 液晶ライトバルブ、 ２５ｅ〜５６ｇ 偏光フィルタ、 ２７ クロスダイクロイックプリズム、 ２９ 投射レンズ、 ＬＬ１ 入射レンズ、ＬＬ２ 中間レンズ群、 ＬＬ３ 射出レンズ

Claims (5)

1. 光源から射出された光源光から各色の照明光を分割する色分割光学系と、
   分割された前記各色の照明光の少なくとも１つの色の照明光の光路上に配置されて、当該少なくとも１つの色の照明光の光路の他の色の照明光の光路に対する光路差を補償するべく、入射側に配置され正のパワーを有する入射レンズと、射出側に配置され正のパワーを有する射出レンズと、前記入射レンズと前記射出レンズとの間に互いに近接配置されて全体として正のパワーを有する一対のレンズを含む中間レンズ群とを有するリレー光学系と
   を備えるプロジェクタ用の照明装置。
2. 前記中間レンズ群を構成する前記一対のレンズは、略同一形状の凸面及び略平面をそれぞれ備えるとともに、前記凸面同士を対面させた状態で配置されることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 前記中間レンズ群を構成する前記一対のレンズは、前記入射レンズと前記射出レンズとの略中間位置に配置され、前記中間レンズ群の焦点距離は、前記入射レンズと前記射出レンズとの間隔の略（１／４）に等し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照明装置。
4. 前記入射レンズと前記射出レンズとは近似するパワーを有す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照明装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項記載の照明装置と、
   前記各色の照明光によってそれぞれ照明されるとともに各色の照明光を個別に変調する複数の空間光変調装置と、
   前記各色の照明光を前記複数の空間光変調装置によって変調することによって得られる各色の像光を合成して射出する光合成部材と、
   前記光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系と
   を備えるプロジェクタ。

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