JP2005115113A - 画像投影光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】 対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない2つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムを利用したときに、所定の画像情報に基づいた画像をスクリーン上に正確に投影する。
【解決手段】 光束の中から1色の色成分のみを偏向し、該色成分を、合成プリズムに対して他の2色の色成分と異なった面に入射させる第一の偏向手段と、各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させる、各色に対応した、投影画像と同様の縦横比の変調領域を有する第一から第三の反射型液晶素子と、変調後、合成プリズムにより合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群から光学系を構成し、第一の偏向手段に、各色成分の進行方向と直交する方向に関して、合成プリズム入射時における該偏向した色成分の断面形状を、該合成プリズム入射時における他の2色の色成分の断面形状に対して90度回転させる機能を付与する。
【選択図】 図2
【解決手段】 光束の中から1色の色成分のみを偏向し、該色成分を、合成プリズムに対して他の2色の色成分と異なった面に入射させる第一の偏向手段と、各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させる、各色に対応した、投影画像と同様の縦横比の変調領域を有する第一から第三の反射型液晶素子と、変調後、合成プリズムにより合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群から光学系を構成し、第一の偏向手段に、各色成分の進行方向と直交する方向に関して、合成プリズム入射時における該偏向した色成分の断面形状を、該合成プリズム入射時における他の2色の色成分の断面形状に対して90度回転させる機能を付与する。
【選択図】 図2
Description
この発明は、反射型液晶を利用した画像投影光学系であって、特に、対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない2つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムを利用して縦横比の異なる画像を投影する画像投影光学系に関する。
従来、例えばカラー液晶プロジェクタ等の装置に備えられた画像投影光学系には、光変調手段として使用する液晶素子の種類によって、透過型液晶を備えたタイプと反射型液晶を備えたタイプとの二種類に分類される。反射型液晶を備えたタイプは、透過型液晶を備えたタイプに比べ、液晶膜が薄く構成されており、ON−OFFの応答速度が速い、ライフサイクルが長い、光の利用効率が高い等の利点を有する。従って、反射型液晶を備えた画像投影光学系は、その実用性の高さから近年急速に普及している。
反射型液晶を備えた画像投影光学系には、代表的な構成として、1枚の反射型液晶を備えた反射液晶単板式と、3枚の反射型液晶を備えた反射液晶3板式とがある。単板式は、R、G、Bの各色成分を1枚の液晶で変調することにより所定の画像を投影する。これに対して3板式は、R、G、Bの各色成分を各液晶で変調することにより所定の画像を投影する。従って3板式は、単板式と比べて、大型化し、かつ製造コストも掛かる。しかし3板式は、各色成分を各液晶で変調させている為、単板式と比べて画質が高いという利点を有している。近年、3板式について種々の開発がなされ、様々な構造を有した画像投影光学系が実用に供されている(例えば特許文献1参照)。
特開2002−098937号公報
上述したように、3板式は、反射型液晶を3枚備えている為、大型化し易い。特に、各反射型液晶により変調された各色成分を合成し、該合成画像をスクリーン上に投影する投影レンズ群に向けて射出する合成プリズムと、各反射型液晶との間に配置された偏光ビームスプリッタ等の偏光部材は、画像投影光学系を大型化させる大きな要因となっている(特許文献1参照)。また、投影レンズ群から各反射型液晶までの光路長が長いと、該投影レンズ群の焦点距離を短くし難い。そのため投影画像を大画面(広角)で投影させることが難しかった。これらの問題点を解決すべく、近年、対角線を含む面上に配置された、互いに直交しない2つの偏向手段を含んだ立方体状の合成プリズムが提案されている(非特許文献1参照)。
有限会社ハイメック、[平成15年7月検索]、インターネット〈http://www5.ocn.ne.jp/~hi-mec/topix.htm〉
有限会社ハイメック、[平成15年7月検索]、インターネット〈http://www5.ocn.ne.jp/~hi-mec/topix.htm〉
しなしながら上述の如き合成プリズム(非特許文献1)を利用したときに、所定の画像情報に基づいた画像をスクリーン上に正確に投影できる画像投影光学系、特に、縦横比が異なった画像をスクリーン上に正確に投影できる画像投影光学系について何ら提案されていない。
そこで、本発明は上記の事情に鑑み、上述の如き合成プリズムを利用することで、光学系全体を小型化させるとともに、投影レンズ群から各反射型液晶までの光路長を短くしつつ、所定の画像情報に基づいた画像をスクリーン上に正確に投影できる画像投影光学系を提供することを目的とする。
上記の課題を解決する本発明の一態様に係る画像投影光学系は、対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない2つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムであって、所定の面から入射されるR、G、Bの各色成分を合成して射出する合成プリズムを利用して縦横比の異なる画像を投影する光学系であって、第一の偏光状態であり、各色成分を含んだ光束を射出する照明手段と、光束の中から1色の色成分のみを偏向し、該偏向した色成分を、該合成プリズムに対して他の2色の色成分と異なった面に入射させる第一の偏向手段と、各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させるとともに、該第一の偏光状態を90度回転した第二の偏光状態にする、各色に対応した、投影画像と同様の縦横比の変調領域を有する第一から第三の反射型液晶素子と、変調後、該合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群とを有しており、該第一の偏向手段は、各色成分の進行方向と直交する方向に関して、該合成プリズム入射時における該偏向した色成分の断面形状を、該合成プリズム入射時における他の2色の色成分の断面形状に対して90度回転させる。本発明の如く画像投影光学系を構成すると、上記合成プリズムを採用した場合であっても、各色成分を、アスペクト比が一致した状態でスクリーン上に投影させることができる。また、光学素子の数を削減できる為、光学系全体を小型化できる。また、合成プリズムと各反射型液晶素子との間に光学素子を配置する必要がなくなり、各反射型液晶素子から投影レンズ群までの光路長を短くすることができる。そのため該投影レンズ群の焦点距離を短くすることができ、結果、スクリーン上に大画面で画像を投影できる。
また、上記画像投影光学系は、第一の偏向手段と合成プリズムとの間に、他の2色の色成分をそれぞれ異なった偏光状態にする偏光手段をさらに配置したものであってもよい。
また、上記画像投影光学系において、照明手段は、各色成分の進行方向と直交する方向の断面が略直方状の光束であって、投影画像と同様の縦横比を有した光束を射出するものであってもよい。
また、上記画像投影光学系において、第一から第三の反射型液晶素子の各々は、それぞれ異なった面であって、合成プリズムの一角に接する3面のいずれかの面近傍に配置されていてもよいし、該3面のいずれかの面に貼り付けられていてもよい。
また、上記画像投影光学系において、第一の偏向手段は、複数のプリズムから形成されたものであっても、複数のミラーから形成されたものであってもよい。
また、上記の課題を解決する本発明の一態様に係る画像投影光学系は、対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない2つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムであって、所定の面から入射されるR、G、Bの各色成分を合成して射出する合成プリズムを利用して縦横比の異なる画像を投影する光学系であって、第一の偏光状態であり、各色成分を含んだ光束を射出する照明手段と、該光束の中から1色の色成分のみを偏向し、該偏向した色成分を、該合成プリズムの第一の面に入射させる第一の偏向手段と、該偏向されなかった2色の色成分を偏向し、該第一の面と異なる第二の面に入射させる第二の偏向手段と、各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させるとともに、該第一の偏光状態を90度回転した第二の偏光状態にする、各色に対応した、投影画像と同様の縦横比の変調領域を有する第一から第三の反射型液晶素子と、変調後、該合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群とを有しており、該第一の偏向手段及び第二の偏向手段の少なくとも一方は、各色成分の進行方向と直交する方向に関して、該第一の面入射時における色成分の断面形状と、該第二の面入射時における色成分の断面形状とを90度回転させた状態とする。
また、上記画像投影光学系において、第一の偏向手段及び第二の偏向手段の少なくとも一方は、各色成分の進行方向と直交する第一の方向にのみパワーを有する第一のアナモフィック光学系を有したものであってもよい。
また、上記画像投影光学系において、第一の偏向手段は、各色成分の進行方向と直交する第一の方向にのみパワーを有する第一のアナモフィック光学系を有し、第二の偏向手段は、各色成分の進行方向と直交し、かつ該第一の方向と直交する第二の方向にのみパワーを有する第二のアナモフィック光学系を有したものであってもよい。
上記画像投影光学系において、第一の偏光状態はP偏光である。また、合成プリズム内の2つの偏向手段は、P波を透過し、S波を反射する機能を果たすものであってもよい。
本発明の画像投影光学系は、合成プリズムの各面に入射する色成分を、それぞれ進行方向と直交する方向に関し、該合成プリズムに対して断面を互いに90度回転させた状態で入射させている。従って、本発明の如き合成プリズムを採用した場合であっても、各色成分を、アスペクト比が一致した状態でスクリーン上に投影させることができる。また、本発明の画像投影光学系によると、光学素子の数を削減できる為、光学系全体を小型化できる。また、合成プリズムと各反射型液晶素子との間に光学素子を配置する必要がなくなり、各反射型液晶素子から投影レンズ群までの光路長を短くすることができる。そのため該投影レンズ群の焦点距離を短くすることができ、結果、スクリーン上に大画面で画像を投影できる。
図1は、本発明の第1の実施形態の画像投影光学系10の構成を模式的に示した図である。画像投影光学系10は、スクリーン上に所定の画像情報を投影するカラー液晶プロジェクタ等の装置に備えられた光学系であって、画像を投影する為の光を照射する光源部と、該光源部から照射された光束を所定の状態にする光学系と、該所定の状態にされた光束に画像情報を付加する液晶素子、及び該画像情報が付加された光束をスクリーン上に投影する光学系から構成されている。また、該画像投影光学系10は、反射型の液晶を利用して画像情報を投影するものであって、3枚の液晶素子を備えた3板式からなる。以下に、図1を用いて、この画像投影光学系10の構成及び作用を説明する。
画像投影光学系10は、光源部110と、第1レンズアレイ120と、第2レンズアレイ122と、偏光変換素子124と、コンデンサレンズ126と、フィールドレンズ128と、第1プリズム部130と、第2プリズム部140と、合成プリズム150と、R用反射型液晶素子160Rと、G用反射型液晶素子160Gと、B用反射型液晶素子160Bと、投影レンズ群170から構成されている。
光源部110は、高圧水銀ランプ112及び放物面リフレクタ114を有している。高圧水銀ランプ112から照射された白色光は、放物面リフレクタ114で反射して第1レンズアレイ120に導かれる。該白色光は、第1レンズアレイ120の作用によりその強度分布が均一化され、かつ平行光に変換されて後段にある第2レンズアレイ122に導かれる。第2レンズアレイ122に入射された白色光は、該レンズアレイ122の作用によりその強度分布がさらに均一化され、光軸と直交する断面の形状が略直方状の光束として偏光変換素子124に導かれる。
偏光変換素子124は入射されるP波とS波の混在光をすべてP波に偏光する機能を果たす。このとき該素子124に入射された白色光は、該素子124の作用によりその偏光状態がP波に揃えられ、該素子124からコンデンサレンズ126に向けて射出される。
コンデンサレンズ126に入射された白色光は画像投影光学系10の光軸に向けて集光されていき、フィールドレンズ128に入射され、再び平行光となる。平行光とされた白色光は、次に、第1プリズム部130に導かれる。
なお、コンデンサレンズ126及びフィールドレンズ128を通過した白色光は、第1及び第2レンズアレイの作用により、第1の方向(コンデンサレンズ126においては図1の紙面に対して平行な方向)と、該第1の方向と直交する第2の方向(コンデンサレンズ126においては図1の紙面に対して垂直な方向)とでそれぞれ異なった径を有した、光軸と直交する断面の形状が略直方状の平行光に整形される。このとき第2の方向の白色光の径を長軸として第1の方向の白色光の径を短軸とした場合、該長軸と該短軸との径の比は、例えば、16:9であったり、4:3であったりする(ここでは16:9とする)。この白色光の縦横比(別の言い方をするとアスペクト比)は、スクリーン上に投影される投影画像のアスペクト比と一致する。そのため本実施形態の画像投影光学系10では、フィールドレンズ128から射出された白色光は、後述する該光学系10の作用により画像投影に効率良く利用される。従って、本実施形態の画像投影光学系10を採用すると、明るい画像をスクリーン上に投影できる。
図2は、本発明の第1の実施形態の画像投影光学系10の構成要素である合成プリズム150近傍の構成を拡大して示した斜視図である。図2によると、第1プリズム部130及び第2プリズム部140は、それぞれ複数個のプリズムから形成されている。以下に、図1に加えて図2を用いて、この合成プリズム150近傍の構成及び作用を説明する。
第1プリズム部130は、B用ダイクロイックミラー面131と、ミラー面132、133、134を有している。該B用ダイクロイックミラー面131は、400nmから490nmまでの帯域の光、すなわちB成分を反射させ、他の帯域の光を透過させる機能を果たす。また、ミラー面132、133、134は、全ての帯域の光を反射する機能を果たす。なお、B用ダイクロイックミラー面131と同様に、ミラー面132、133、及び134にもB成分のみを反射する機能を付与してもよい。
フィールドレンズ128を射出した白色光は、第1プリズム部130に入射され、該プリズム部130内をB用ダイクロイックミラー面131に向かって進行していく。そしてB用ダイクロイックミラー面131に入射すると、該白色光は、B成分のみが該ミラー面131の作用により90度折り曲げられて反射され、ミラー面132に向かって進行する(このときのB成分の進行方向は図1の紙面と平行方向)。また、B成分以外の色成分、すなわちR成分及びG成分は、B用ダイクロイックミラー面131を透過して第2プリズム部140に向かって進行する。
ミラー面132の作用により反射されたB成分は、該ミラー面132の作用により90度折り曲げられて反射され、ミラー面133に向かって進行する(このときのB成分の進行方向は図1の紙面と垂直方向)。そしてミラー面133の作用により90度折り曲げられて反射され、ミラー面134に向かって進行する(このときのB成分の進行方向は図1の紙面と平行方向)。さらにB成分は、ミラー面134の作用により90度折り曲げられて反射され、合成プリズム150に向かって進行する(このときのB成分の進行方向は図1の紙面と平行方向)。なお、このときB成分は、第1プリズム部130の各ミラー面の作用により複数回反射された結果、第1の方向に短軸を有し、第2の方向に長軸を有した光束として合成プリズム150に向かって進行する。
第2プリズム部140は、波長選択偏光ミラー面141と、ミラー面142を有している。図3は、第2プリズム部140の中から波長選択偏光ミラー面141の断面のみを抽出した図である。波長選択偏光ミラー面141は、G用ダイクロイックミラー141aと、λ/4波長板141bと、ミラー141cとを貼り合わせたものである。該G用ダイクロイックミラー141aは、490nmから580nmまでの帯域の光、すなわちG成分を反射させ、他の帯域の光を透過させる機能を果たす。λ/4波長板141bは、直線偏光の光を円偏光に変換し、また、円偏光の光を直線偏光に変換する機能を果たす。ミラー141cは、全ての帯域の光を反射する機能を果たす。
B用ダイクロイックミラー面131を透過した色成分、すなわちR成分及びG成分は、第2プリズム部140に入射し、該プリズム部140内を波長選択偏光ミラー面141に向かって進行していく。そして波長選択偏光ミラー面141(より具体的にはG用ダイクロイックミラー141a)に入射すると、R成分及びG成分のうちG成分のみが該ミラー面141aの作用により90度折り曲げられて反射され、ミラー面142に向かって進行する(このときのG成分の進行方向は図1の紙面と垂直方向)。そして該ミラー面142の作用により90度折り曲げられて反射され、合成プリズム150に向かって進行する(このときのG成分の進行方向は図1の紙面と平行方向)。
また、R成分は、G用ダイクロイックミラー141aを透過し、λ/4波長板141bの作用によりP波の直線偏光状態から円偏光状態に変換されてミラー141cに入射される。そして該ミラー141cの作用により90度折り曲げられて反射され、再びλ/4波長板141b及びG用ダイクロイックミラー141aを透過する。このときR成分は、λ/4波長板141bの作用により円偏光状態から再び直線偏光状態に戻され、図1の紙面と垂直な方向に沿ってミラー面142に進行する。また、このときR成分は、λ/4波長板141bを2回通過する為、その偏光状態が90度回転し、S波の直線偏光状態となってミラー面142に向かって進行する。そしてR成分は、該ミラー面142の作用により90度折り曲げられて反射され、合成プリズム150に向かって進行する(このときのR成分の進行方向は図1の紙面と平行方向)。なお、G用ダイクロイックミラー141a及びλ/4波長板141bは極めて薄い。そのため、波長選択偏光ミラー面141の作用により生じるR成分とG成分との光路差は、極めて小さい。従って、該光路差は、スクリーン上に投影される画像に何ら支障を生じさせるものではない。
波長選択偏光ミラー面141は僅か3枚の光学素子を貼り合わせて形成されたものである。従来想定され得る偏光手段と比較すると、貼り合わされる素子数が格段に少ない。従って、各素子を高い精度で貼り合わせなくても貼り合わせ誤差に起因する光量損失が少ない。そのため、光束を効率良く偏光及び偏向させられる。結果、波長選択偏光ミラー面141の如き偏光変換素子を採用すると、製造コスト及び不良率を抑えられる。
R成分及びG成分は、第2プリズム部140の各ミラー面の作用により複数回反射された結果、第1の方向に長軸を有し、第2の方向に短軸を有した光束として合成プリズム150に入射する。すなわち、B成分と、R成分及びG成分とは、それぞれの進行方向と直交する方向に関し、合成プリズム150に対してその断面形状が互いに90度回転された状態で入射する。別の観点から説明すると、第1プリズム部130及び第2プリズム部140は、それぞれのプリズム部に入射された光束を、上述の状態で合成プリズム150に射出するよう構成されている。この作用は特に投影画面の縦横比がそれぞれ異なった画像投影光学系に有効であり、以下、合成プリズム150の構成及び作用を説明する際にその有効性も併せて説明する。
合成プリズム150は、第1面151と、第2面152と、偏光ビームスプリッタ153、154と、第3面155を有している。第1面151は第1プリズム部130からのB成分が入射される面であり、第2面152は第2プリズム部140からのR成分及びG成分が入射される面である。また、第3面155は、第1面151及び第2面152に隣接する面であって、図2において奥側に位置する面である。偏光ビームスプリッタ153は、第1面151の対角線、及び該第1面151と対向する面の対角線を含む平面上に配置されている。また、偏光ビームスプリッタ154は、第2面152の対角線、及び該第2面152と対向する面の対角線を含む平面上に配置されている。偏光ビームスプリッタ153と偏光ビームスプリッタ154は、第1の方向及び第2の方向のいずれに関しても、互いが45度ずれた状態で配置されている。
図4は、偏光ビームスプリッタ153及び偏光ビームスプリッタ154の偏光特性を示したグラフである。具体的には、図4(A)は偏光ビームスプリッタ153の偏光特性を示し、図4(B)は偏光ビームスプリッタ154の偏光特性を示している。
図4(A)によると、偏光ビームスプリッタ153は、P波に対して、極めて低い反射率を有している。具体的には、400nmから490nmの帯域(すなわちB成分に相当する帯域)に対しては0.3%以下の反射率を有し、490nmから580nmの帯域(すなわちG成分に相当する帯域)に対しては1.0%以下の反射率を有し、580nmから700nmの帯域(すなわちR成分に相当する帯域)に対しては0.3%以下の反射率を有している。
また、偏光ビームスプリッタ153は、S波に対して、帯域によって極めて高い反射率または低い反射率を有している。具体的には、400nm(または490nm)以下の帯域に対しては極めて低い反射率を有し、400nm(または490nm)より上の帯域に対しては98.0%以上の反射率を有している。なお、400nmから490nmの帯域に対しては、基本的には不問であって、特に反射率を所定の値(例えば低反射率)に設定する必要はない。
また、図4(B)によると、偏光ビームスプリッタ154は、P波に対して、帯域によって極めて高い反射率または低い反射率を有している。具体的には、400nmから580nmの帯域(すなわちB成分及びG成分に相当する帯域)に対しては0.3%以下の反射率を有し、580nmより上の帯域に対しては特に反射率は設定されていない。
また、偏光ビームスプリッタ154は、S波に対して、帯域によって極めて高い反射率または低い反射率を有している。具体的には、400nmから490nmの帯域(すなわちB成分に相当する帯域)に対しては98.0%以上の反射率を有し、515nmから700nmの帯域(すなわちG成分及びR成分に相当する帯域)に対しては0.3%以下の反射率を有している。また、500±5nmの帯域に対しては50.0%の反射率を有している。
合成プリズム150の各面には、各色に対応した反射型液晶素子が備えられている。具体的には、第1面151と対向する面にB用反射型液晶素子160Bが備えられ、第2面152と対向する面にG用反射型液晶素子160Gが備えられ、第3面155にR用反射型液晶素子160Rが備えられている。また、第3面155と対向する面の前面には、投影レンズ群170が配置されており、該投影レンズ群170のさらに前面には、画像が投影されるスクリーン(不図示)が配置されている。なお、各反射型液晶素子160R、160G、160Bは、上述した各面近傍に配置されていてもよいし、該各面に貼り付けられていてもよい。次に、合成プリズム150内における各色成分の作用を説明する。
先ず、B成分について説明する。B成分は、偏光変換素子124の作用によりP波の偏光状態(以下、Bp成分と称する)とされ、第1プリズム部130を介して第1面151から合成プリズム150内に入射される。Bp成分は、P波の偏光状態を有している為、その光路上に位置する偏光ビームスプリッタ154を透過し、第1面151と対向する面から射出され、B用反射型液晶素子160Bに入射される。
B用反射型液晶素子160Bは、周知の反射型液晶素子であって、第1の方向が短辺で、第2の方向が長辺となる変調領域(アスペクト比16:9)を有する素子である。該B用反射型液晶素子160Bは、図示しない制御部の制御下、所定のB用の映像情報に基づいてONビットに入射したBp成分を、変調させて、偏光ビームスプリッタ154に向けて反射させる機能を果たす。なお変調の際、液晶の性質によって、反射光束の偏光状態は、入射光束の偏光状態が90度回転したS偏光状態のB成分(以下、Bs成分と称する)となる。また、B用反射型液晶素子160Bは、OFFビットに入射したBp成分を、変調させることなく該入射光路に向けて逆反射させる。反射されたBp成分は、該入射光路を逆にたどり光源に戻ることとなる。
第1プリズム130を介して合成プリズム150に入射したBp成分は、その断面が第1の方向に短軸を有し第2の方向に長軸を有した略直方状の光束であり、そのアスペクト比がB用反射型液晶素子160Bの変調領域と一致した状態で該素子160Bに入射される。そのためBp成分は、該変調領域から溢れることなく該領域全体に渡って入射される。そして上述したB用反射型液晶素子160Bの作用によりその一部が変調・反射されてBs成分となった光束は、偏光ビームスプリッタ154の作用により90度折り曲げられて反射され、第3面155と対向する面から射出され、投影レンズ群170に入射されてスクリーン上に投影される。
上述したように、Bp成分は、B用反射型液晶素子160Bの変調領域から溢れることなく入射する為、その光量損失が最小限に抑えられてスクリーン上に投影される。従って明るい画像がスクリーン上に投影される。また、Bp成分を該変調領域全体に渡って入射させる、言い方を換えると該変調領域を最小限の面積に抑えている。そのため液晶素子に掛けるコストを最小限に抑えられる。
次に、G成分及びR成分について説明する。G成分及びR成分は、偏光変換素子124の作用によりP波の偏光状態(以下、Gp成分、Rp成分と称する)とされ、第2プリズム部140の作用によりR成分のみがS波(以下、Rs成分と称する)となり、第2面152から合成プリズム150内に入射される。
Gp成分は、P波の偏光状態を有している為、その光路上に位置する偏光ビームスプリッタ153を透過し、第2面152と対向する面から射出され、G用反射型液晶素子160Gに入射される。
G用反射型液晶素子160Gは、B用反射型液晶素子160Bと同様の素子であり、第1の方向が長辺で、第2の方向が短辺となる変調領域を有している。該G用反射型液晶素子160Gは、図示しない制御部の制御下、所定のG用の映像情報に基づいてONビットに入射したGp成分を、変調させてGs成分とし、偏光ビームスプリッタ153に向けて反射させる機能を果たす。
第2プリズム140を介して合成プリズム150に入射したGp成分は、その断面が第1の方向に長軸を有し第2の方向に短軸を有した略直方状の光束であり、そのアスペクト比がG用反射型液晶素子160Gの変調領域と一致した状態で該素子160Gに入射される。そのためGp成分は、該変調領域から溢れることなく該領域全体に渡って入射される。そして上述したG用反射型液晶素子160Gの作用によりその一部が変調・反射されてGs成分となった光束は、偏光ビームスプリッタ153の作用により90度折り曲げられて反射され、第3面155と対向する面から射出され、投影レンズ群170に入射されてスクリーン上に投影される。
また、Rs成分は、S波の偏光状態を有している為、その光路上に位置する偏光ビームスプリッタ153の作用により反射され、第3面155から射出され、R用反射型液晶素子160Rに入射される。
R用反射型液晶素子160Rは、B用反射型液晶素子160Bと同様の素子であり、第1の方向が長辺で、第2の方向が短辺となる変調領域を有している。該R用反射型液晶素子160Rは、図示しない制御部の制御下、所定のR用の映像情報に基づいてONビットに入射したRs成分を、変調させてRp成分とし、偏光ビームスプリッタ153に向けて反射させる機能を果たす。
第2プリズム140を介して合成プリズム150に入射したRs成分は、Gp成分と同様に、その断面が第1の方向に長軸を有し第2の方向に短軸を有した略直方状の光束であり、そのアスペクト比がR用反射型液晶素子160Rの変調領域と一致した状態で該素子160Rに入射される。そのためRs成分は、該変調領域から溢れることなく該領域全体に渡って入射される。そして上述したR用反射型液晶素子160Rの作用によりその一部が変調・反射されてRp成分となった光束は、偏光ビームスプリッタ153を透過し、第3面155と対向する面から射出され、投影レンズ群170に入射されてスクリーン上に投影される。
B成分がB用ダイクロイックミラー面131に入射して第3面155と対向する面から射出するまでの光路長と、R成分及びG成分が該ミラー面131に入射して該面155と対向する面から射出するまでの光路長は、略同等の光路長である。従って、各色成分は、位相がずれることなく同時に第3面155と対向する面から射出され、スクリーン上に画像として投影される。
本実施形態によると、B成分と、R成分及びG成分とを、それぞれ進行方向と直交する方向に関し、合成プリズム150に対して互いの断面形状を90度回転させた状態で入射させている。従って、本実施形態の如き合成プリズム150を利用した場合であっても、R、G、Bの各色成分は、その断面形状の長軸と短軸が一致した状態で第3面155と対向する面から射出される。すなわち各色成分は、アスペクト比が一致した状態で合成プリズム150から射出される。そのためスクリーン上で各色がずれることなく正確な画像が投影される。また、プリズムの数を削減できる為、光学系全体を小型化できる。また、本実施形態によると、合成プリズム150と各反射型液晶素子との間に光学素子を配置する必要がない。従って、各反射型液晶素子から投影レンズ群170までの光路長を短くすることができる。そのため該投影レンズ群170の焦点距離を短くすることができ、結果、スクリーン上に大画面で画像を投影できる。
図5は、本発明の第2の実施形態の画像投影光学系の構成要素である合成プリズム150近傍の構成を拡大して示した側面図及び上面図である。図5(A)は、合成プリズム150近傍の構成を拡大して示した側面図であり、図5(B)は、合成プリズム150近傍の構成を拡大して示した上面図である。第2の実施形態では、B成分と、R成分及びG成分との互いの断面形状を、それぞれ進行方向と直交する方向に関して、見掛け上90度回転させている。なお、第2の実施形態の画像投影光学系において、図1及び図2示す第1の実施形態の画像投影光学系10と同一の構成には、同一の符号を付してここでの詳細な説明は省略する。
第2の実施形態の画像投影光学系は、第1の実施形態の第1プリズム130及び第2プリズム140に相当する光学素子として、シリンダミラー231と、ミラー232と、コンデンサレンズ233と、波長選択偏光シリンダミラー241と、コンデンサレンズ242を有している。また、第1の実施形態と異なり、コンデンサレンズ126を備えていない。そのため第2の実施形態では、光源部110から射出された白色光は、光軸と直交する断面の形状が略正方状であり、第1レンズアレイ120、第2レンズアレイ122、偏光変換素子124、フィールドレンズ128を介してシリンダミラー231に入射される。以下に、第2の実施形態の画像投影光学系の構成及び作用を説明する。
シリンダミラー231は、フィールドレンズ128から射出された白色光のうち、400nmから490nmまでの帯域の光、すなわちB成分をミラー232に向かって反射させ、他の帯域の光をシリンダミラー231に向かって透過させる機能を果たす。また、該ミラー231は、反射させたB成分を、第1の方向に関してのみ集光させるパワーを有する。従って、シリンダミラー231は、反射させたB成分を、その断面が第1の方向に短軸を有し第2の方向に長軸を有した略直方状の光束に変換してミラー232に導く。
ミラー232は、入射されたB成分を、コンデンサレンズ233に向けて反射させる。該コンデンサレンズ233は、該B成分を平行光に変換し、合成プリズム150に導く。該B成分は、その断面が第1の方向に短軸を有し第2の方向に長軸を有した略直方状の光束として、合成プリズム150の第1面151に入射される。
シリンダミラー231を透過した色成分、すなわちR成分及びG成分は、その断面が略正方状のまま、波長選択偏光シリンダミラー241に入射される。波長選択偏光シリンダミラー241は、第1の実施形態の波長選択偏光ミラー面141と同様に、G用ダイクロイックミラーと、λ/4波長板と、ミラーとを貼り合わせたものである。波長選択偏光シリンダミラー241が備える各光学素子は、それぞれ、G用ダイクロイックミラー141a、λ/4波長板141b、ミラー141cと同様の機能を有し、さらに、反射させたR成分及びG成分を、第2の方向に関してのみ集光させるパワーを有する。従って、波長選択偏光シリンダミラー241に入射されたR成分は、その偏光状態が変換されてRs成分とされ、その断面が第1の方向に長軸を有し第2の方向に短軸を有した略直方状の光束に変換され、コンデンサレンズ242に向かって反射される。また、G成分は、その偏光状態を変換されることなく、Rs成分と同様の断面形状を有したGp成分として、コンデンサレンズ242に向かって反射される。該コンデンサレンズ242は、該R成分及びG成分を平行光に変換し、合成プリズム150に導く。該R成分及びG成分は、その断面が第1の方向に長軸を有し第2の方向に短軸を有した略直方状の光束として、合成プリズム150の第2面152に入射される。
第2の実施形態によると、B成分と、R成分及びG成分との互いの断面形状を、それぞれ進行方向と直交する方向に関して、見掛け上90度回転させている。この実施形態では、光学素子の部品点数を削減できる為、より小型化を達成できる。
以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。
なお、第1の実施形態では、第1プリズム部及び第2プリズム部の各面により各色成分を反射・透過させているが、別の実施形態では、プリズムをミラーに置き換えて、上記プリズム部に相当する光学系を構成してもよい。
10 画像投影光学系
130 第1プリズム部
140 第2プリズム部
150 合成プリズム
160R、G、B 反射型液晶素子
130 第1プリズム部
140 第2プリズム部
150 合成プリズム
160R、G、B 反射型液晶素子
Claims (12)
- 対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない2つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムであって、所定の面から入射されるR、G、Bの各色成分を合成して射出する合成プリズムを利用して縦横比の異なる画像を投影する画像投影光学系であって、
第一の偏光状態であり、各色成分を含んだ光束を射出する照明手段と、
前記光束の中から1色の色成分のみを偏向し、該偏向した色成分を、前記合成プリズムに対して他の2色の色成分と異なった面に入射させる第一の偏向手段と、
各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させるとともに、前記第一の偏光状態を90度回転した第二の偏光状態にする、各色に対応した、投影画像と同様の縦横比の変調領域を有する第一から第三の反射型液晶素子と、
変調後、前記合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群と、を有し、
前記第一の偏向手段は、各色成分の進行方向と直交する方向に関して、前記合成プリズム入射時における該偏向した色成分の断面形状を、該合成プリズム入射時における他の2色の色成分の断面形状に対して90度回転させること、を特徴とする画像投影光学系。 - 前記第一の偏向手段と前記合成プリズムとの間に、前記2色の色成分をそれぞれ異なった偏光状態にする偏光手段をさらに配置したこと、を特徴とする請求項1に記載の画像投影光学系。
- 前記照明手段は、各色成分の進行方向と直交する方向の断面が略直方状の光束であって、投影画像と同様の縦横比を有した光束を射出すること、を特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の画像投影光学系。
- 前記第一から第三の反射型液晶素子の各々は、それぞれ異なった面であって、前記合成プリズムの一角に接する3面のいずれかの面近傍に配置されていること、を特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の画像投影光学系。
- 前記第一から第三の反射型液晶素子の各々は、それぞれ異なった面であって、前記合成プリズムの一角に接する3面のいずれかの面に貼り付けられていること、を特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の画像投影光学系。
- 前記第一の偏向手段は、複数のプリズムから形成されていること、を特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の画像投影光学系。
- 前記第一の偏向手段は、複数のミラーから形成されていること、を特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の画像投影光学系。
- 対角線を含む面上に配置された、互いが直交しない2つの偏向手段を含んだ直方体状の合成プリズムであって、所定の面から入射されるR、G、Bの各色成分を合成して射出する合成プリズムを利用して縦横比の異なる画像を投影する画像投影光学系であって、
第一の偏光状態であり、各色成分を含んだ光束を射出する照明手段と、
前記光束の中から1色の色成分のみを偏向し、該偏向した色成分を、前記合成プリズムの第一の面に入射させる第一の偏向手段と、
前記偏向されなかった2色の色成分を偏向し、前記第一の面と異なる第二の面に入射させる第二の偏向手段と、
各色成分を、所定の画像情報に対応して変調させるとともに、前記第一の偏光状態を90度回転した第二の偏光状態にする、各色に対応した、投影画像と同様の縦横比の変調領域を有する第一から第三の反射型液晶素子と、
変調後、前記合成プリズムにより各色成分が合成された光束をスクリーン上に投影する投影レンズ群と、を有し、
前記第一の偏向手段及び前記第二の偏向手段の少なくとも一方は、各色成分の進行方向と直交する方向に関して、前記第一の面入射時における色成分の断面形状と、前記第二の面入射時における色成分の断面形状と、を90度回転させた状態とすること、を特徴とする画像投影光学系。 - 前記第一の偏向手段及び前記第二の偏向手段の少なくとも一方は、各色成分の進行方向と直交する第一の方向にのみパワーを有する第一のアナモフィック光学系を有していること、を特徴とする請求項8に記載の画像投影光学系。
- 前記第一の偏向手段は、各色成分の進行方向と直交する第一の方向にのみパワーを有する第一のアナモフィック光学系を有し、
前記第二の偏向手段は、各色成分の進行方向と直交し、かつ前記第一の方向と直交する第二の方向にのみパワーを有する第二のアナモフィック光学系を有していること、を特徴とする請求項8に記載の画像投影光学系。 - 前記第一の偏光状態はP偏光であること、を特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の画像投影光学系。
- 前記合成プリズム内の2つの偏向手段は、P波を透過し、S波を反射すること、を特徴とする請求項1から請求項11のいずれかに記載の画像投影光学系。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003350411A JP2005115113A (ja) | 2003-10-09 | 2003-10-09 | 画像投影光学系 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2003350411A JP2005115113A (ja) | 2003-10-09 | 2003-10-09 | 画像投影光学系 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008256832A (ja) * | 2007-04-03 | 2008-10-23 | Seiko Epson Corp | 光学システム |
JP2009092717A (ja) * | 2007-10-03 | 2009-04-30 | Sanyo Electric Co Ltd | 投写型映像表示装置 |
CN112596332A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-04-02 | 广景视睿科技(深圳)有限公司 | 一种投影系统及投影仪 |
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2003
- 2003-10-09 JP JP2003350411A patent/JP2005115113A/ja active Pending
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