JP2006003541A

JP2006003541A - 画像投射装置

Info

Publication number: JP2006003541A
Application number: JP2004178535A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sasaki; 憲一佐々木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】熱、昇温の影響を受けにくい画像投射装置を提供すること。
【解決手段】画像表示パネルＬＣＤに表示された画像をスクリーンに拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラーＭ１〜Ｍ６を有し、この複数のミラーＭ１〜Ｍ６のうち、少なくとも原画に最も近いミラーＭ１の基板をガラスとした。
【選択図】図１

Description

本発明は画像投射装置に関し、例えば液晶表示素子（液晶パネル）やデジタルマイクロミラーデバイス等の画像表示パネルによって光変調された光束をスクリーン又は壁等に投影し、画像情報を形成するプロジェクター装置（プロジェクション装置、投射装置）等に好適なものである。

従来、液晶パネル等の画像表示パネルを、光源からの光束により照明し、画像表示パネルにて光変調された透過光又は反射光を用いて投影レンズにより、スクリーン又は壁に拡大投射して画像形成するプロジェクターが種々提案されている。

また、特許文献１には、複数の反射面を用いて斜め方向から画像を投射する投射光学系が開示されている。

一方で最近非共軸光学系を含む反射結像光学系を利用した装置が種々提案されている。非共軸光学系では、基準光軸という概念を導入し構成面を自由形状の非回転対称非球面、所謂自由曲面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが、例えば特許文献２にその設計法が、特許文献３及び特許文献４にその設計例が示されている。

こうした非共軸光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系（物体中心と瞳中心を通る光線に沿った基準光軸を考えたとき、構成面の基準光軸との交点における面法線が基準光軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される光学系で、このとき、基準光軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系は、構成面が一般には非共軸となり、的確に構成することにより反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光路の引き回しが比較的自由に行なえる。

また、大きな特徴として表面曲面反射ミラーのみを用いた反射結像光学系を用いることで、屈折レンズ系において問題になってきた色収差の影響を殆ど取り除くことが可能になる。
国際公開第９７／０１７８７号パンフレット特開平９−５６５０号公報特開平８−２９２３７１号公報特開平８−２９２３７２号公報

液晶プロジェクターに代表される画像投射装置は、投射画像の明るさが重要である。即ち、明るい部屋に於ける使用でも投射画像が良く見えるように、できるだけ大きな光量をパネルに供給し、できるだけ明るい投射光学系を用いて画像を投射するのが好ましい。このため、大量の光量を画像表示パネルに照射するために大光量の光源を使用して、その光源光量をできるだけ無駄なくパネルまで伝達させる照明光学系が種々工夫されている。その結果、光源ランプは大量に発熱し、この熱を装置外に巧く排出することが必要とされる。そうでなければ装置内部が大変な高温になってしまい、各種の部品の性能や耐久性に多大な悪影響を及ぼすからである。

また、光源光に乗って伝達される熱の影響も無視できない。即ち光源光束に含まれる赤外線成分である。一般に光源ランプの放射光束には赤外成分が多く含まれている。この赤外成分は光源から液晶パネルなどの画像表示パネルなどに至る照明光学系の光路を通過するたびに僅かずつ吸収され熱に変わる。

照明光路には光路を曲げるための平面ミラーや各種レンズが配置され、それらの光学部品の赤外成分に対する透過率は必ずしも極端に低くないため、そこを通過するたびに僅かずつでもミラーの反射膜やレンズのガラス媒質などに吸収されそれらの温度を昇温させて行く。このことは前述のように反射膜の劣化、レンズなどの接着や固定、反射防止膜などに悪影響を及ぼす。

これを防ぐため一般に以下の対策が採られている。照明光束の伝達される照明系光路においては、まずランプの光を集光して略平行光束化する曲面反射ミラーで、このミラーをコールドミラーとする、即ち可視光成分のみ反射して赤外成分を透過するミラーとしている。その結果、光源光束の赤外光成分を投射光学系の方へ導光せず該反射ミラーの裏側に透過させて捨てることで照明光学系の昇温を防止する。

また、更に追加として照明光学系においては一般に赤外カットフィルタを光路に配置して一層の赤外光カットを図る。これは誘電体多層膜構成などにて構成された、赤外成分のみの吸収では該フィルタ自体の温度が上昇してしまうため吸収ではなく赤外成分を反射によって照明光路から取り除くためのフィルタであり、先の光源ランプまわりのコールドミラーと合わせて相当分の赤外光束成分を除去するようになっている。

前述の特許文献３や４に開示された非回転対称な非球面形状を持つミラー（以後、自由曲面ミラーと呼ぶ）を組み合わせた結像光学系の場合、自由曲面ミラーの製造コストや軽量であることなどを考えると樹脂成形による自由曲面ミラーを使用するのが好適である。ところが今述べてきたように光源からの赤外光束成分により、投射光路におかれる光学系部品は少なからず残存してきた赤外光成分を通過させる際に温度上昇が避けられない。先述のコールドミラーや赤外カットフィルターの効果により大部分は取り除かれているが、それでも残存してきた成分が投射光学系を通過する際に幾ばくかの吸収が起こり光学素子の温度を上げることになる。

一方で、一般にガラス製の屈折レンズの組み合わせにより構成された共軸レンズ系の場合、ガラス製であるため、また一般的に鏡筒が金属製であったり、また透過レンズの場合、反射防止膜の透過率は９９％台近くまで達しているので吸収は非常に少なく、そこまで残存してきた弱い赤外光成分による程度の温度上昇では、また仮にそれが５０℃〜６０℃であろうと実質的に性能に対して殆ど影響はない。

ところが、樹脂製の自由曲面ミラー構成の投射光学系の場合、事情が異なる。曲面反射ミラーの組み合わせによる結像光学系の場合、まず相互の相対位置関係は非常に厳格である。僅かなズレが結像性能に対して非常に大きな影響を及ぼす。また自由曲面ミラーの面精度の変化（即ち温度膨張などにより樹脂成形ミラー自体が変形すること）も然りである。樹脂の成形によって製作された自由曲面反射ミラーの場合、そこに照明光学系を経てきた光束が入射する際に、まず反射膜により照明光束を反射させるが、現状では反射膜の反射率は良くて９５％程度である。この残りの５％のうちミラーの反射膜を透過する成分は殆ど無く透過してもミラーの基板の樹脂に吸収されるか、反射膜自体に吸収されるのでミラーの温度上昇は、ガラス製の共軸レンズに対して著しく不利であることは言うまでもない。

ところで、当該装置のような自由曲面反射ミラーを組み合わせた結像光学系においては、各面ミラーの移動や傾きによる結像性能への影響の度合い（各面の性能変化に対する敏感度）は一般にミラーの配列上の位置などにより異なる。例えば、最も物体側（画像表示パネル側）に近いミラーを第一ミラーとした場合、投射光学系が採る一般的な構成ではこの第一ミラーが位置ズレや傾き、反射面の形状変化に対して最も敏感である。

一方で、画像表示パネルから射出されて結像系に入る光束は前述のように残存する赤外光成分を含有しているがこれが、最初に照射され、残存赤外光を最も多く受け取るのがその第一ミラーである。そのため、第一ミラーにおいて受ける赤外光成分の影響は最も大きい。したがって、第一ミラーが最も温度上昇が大きくその結果生ずる反射ミラー自体の樹脂基板の膨張変形及び反射ミラー支持部材の膨張変形により、第位置ミラーの位置ズレ、傾き、反射面の形状変化が大きくなり、第一ミラーの敏感度が高いことと相まって甚だ都合が悪い。

本発明は、複数のミラーで構成された投射光学系を有しながら、熱、昇温の影響を受けにくい画像投射装置を実現できる。

（第１の手段）
原画を投射面に拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラー有し、複数のミラーのうち、少なくとも原画に最も近いミラーの基板をガラス又は金属製とする。このように最も温度上昇に弱い場所において、温度上昇に強い素材に置き換えることになり効果的である。

（第２の手段）
複数のミラーのうち、少なくとも原画に最も近いミラーの反射膜をコールドミラーにすることで、赤外光束成分をミラーの反射膜の部分で極力吸収せず透過させるようにし、また基板の材質も極力赤外線を吸収しない材質を使用する。基板をガラスや金属で製作する場合、昇温による変形等は問題にならないが、コストその他の弊害が多い。この場合、あくまでミラーの基板を樹脂成形で構成する場合にコスト面を含め最大限に効力を発揮する。

（第３の手段）
コスト的には全てのミラーを樹脂成型品で構成するのが望ましい。照明系において光量の損失を最低限度に抑制した上で、残存する赤外線により樹脂製のミラーによる投射光学系を安定して使用するためには、投射光学系を冷却すればよい。一般に例えば屈折光学系など共軸系の場合これら光学素子を冷却することは余り見られなかった。特に冷却する必然性が少ないことはもとより、鏡筒内に組み込まれたレンズ群を効率的に冷却する手段がなかなかなったことも考えられる。

本発明により、熱、昇温の影響を受けにくい画像投射装置を実現できる。

以下に図面を用いて本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
図１に示すのは本発明の第１の実施例である。図１において、ＬＣＤは原画を表示する画像表示パネルであり、本実施例では１つの画像表示パネルのみを図示しているが、実際はＲＧＢの各色に対応して３つのパネルが存在する。Ｐは３つの画像表示パネルに表示された各色に対応する画像を合成するプリズムである。Ｍ１〜Ｍ６は投射光学系を構成するミラーであり、非回転対称な非球面形状、所謂自由曲面形状をしたミラー（自由曲面ミラー）を含んでいる。Ｓは投射光学系の開口絞りである。ミラーＭ１〜Ｍ６で構成された投射光学系は、図７に示すように、画像表示パネルＬＣＤに表示された原画をスクリーンに拡大投射する。本実施例は自由曲面ミラーの組み合わせによる投射光学系を不図示の画像投射プロジェクター照明エンジンに結合したものである。

投射光学系を構成するミラーＭ１〜Ｍ６のうち位置ずれや面の変形に最も弱いのは、画像表示パネルＬＣＤに最も近い第１ミラーＭ１である。そして、照明光束に残存して伝搬されてくる赤外成分を最も多く受け取って温度が最も上昇するのも最も物体側に近い第１ミラーＭ１である。そこで少なくとも第１ミラーＭ１の基板材料をガラスにすることで、最も温度上昇に弱い場所において温度上昇に強い素材に置き換えることになり非常に効果が上がる。ガラスの場合自由曲面を形成するのは技術的には造り難い。そのためその結果それ以降のミラーは樹脂成形ミラーを使用することでそれ以上のコスト上昇はない。また、第１ミラーＭ１も設計上の工夫で軸回転対称な面に限定して設計することで、ガラス製でも回転させて研磨できるようにし、不用意なコスト上昇を抑制することができる。

（実施例２）
図２に示すのは本発明の第２の実施例である。本実施例では、少なくとも第１ミラーＭ１の基板材料を金属にすることで、最も温度上昇に弱い場所において温度上昇に強い素材に置き換えることになり非常に効果が上がる。その結果それ以降のミラーは樹脂成形ミラーを使用することができそれ以上のコスト上昇はない。第１ミラーＭ１も設計上の工夫で軸回転対称な面に限定して設計することで、金属製でも回転させて研磨できるようにし、不用意なコスト上昇を抑制することができる。

（第３の実施例）
図３に示すのは本発明の第３の実施例である。本実施例では、少なくとも第１ミラーＭ１の反射膜を公知のコールドミラーの特性にすることで、赤外光束成分をミラーの反射膜の部分で極力吸収せず透過させるようにし、また基板の材質も極力赤外線を吸収しない材質を使用する。

本実施例において第１ミラＭ１ーの基板をガラスや金属で製作する場合には昇温による変形等はコールドミラーでなくとも、もともとそれほど問題にならない。その反面、材料費や加工の手間などコストに関する問題が多い。したがって、本実施例の場合、第１ミラーＭ１の基板も樹脂成形で構成するときに特にコスト的にも効果的である。

（第４の実施例）
コスト的には全てのミラーを樹脂成型品で構成するのが最も有利である。したがって、照明系において光量の損失を最低限度に抑制した上で（即ち、赤外線をカットする手を講ずる余り可視域の光量も過剰に損失してしまうことなく）、残存する赤外線の存在下で樹脂製自由曲面ミラーによる結像光学系を安定して使用するためには、投射光学系を冷却するという手段がある。一般に例えば屈折光学系など共軸系の場合これら光学素子を冷却することは余り試みられなかった。ガラスの共軸レンズの場合、特に冷却する必然性が少ないことはもとより、鏡筒内に組み込まれたレンズ群を効率的に冷却する手段がなかなかないことも考えられる。

本発明に於ける自由曲面反射ミラーの組み合わせによる投射光学系は、中空構造を有しておりその内部を空気が媒質としては満たしている。したがってその部分を冷却風が通ることがあっても光線の通過に対しては何の妨げにもならないことは明らかである。

図４に示すのは第４の実施例の概略図である。光束の射出する射出口から冷却用の外気を吸入し、複数のミラーを支持構成する構造体が筒状の構成になっており、空気はそこをあたかも空気ダクトであるかのように各ミラー表面を冷却しつつ装置内部に吸入される。吸入された空気は更にプロジェクター装置内部を冷却して装置外へ別な排気口から排気される。

（第５の実施例）
図５に示すのは第５の実施例の概略図である。光束の射出する射出口には透明な薄い保護ガラス板が装着されており、投射光束は該保護ガラス通過して投射されるが、ガラスが薄いので色収差の発生をはじめ結像光学系の性能を損なうような収差発生はない。投射光束射出口（保護ガラスの装着された部分）の側面に外気に含まれるホコリなどを濾過し、清浄化するフィルタの付いた外気取り入れ口があり、そこから冷却用の外気を吸入し、複数のミラーを支持構成する構造体が筒状の構成になっており、清浄化された空気はそれをあたかも空気ダクトであるかのように各ミラーの表面を冷却しつつ装置内部に吸入される。吸入された空気は更にプロジェクター装置内部を冷却して装置外へ別な排気口から排気される。

（第６の実施例）
図６に示すのは本第六実施例の概略図である。

複数のミラーを支持する構造体が筒状の構成になっており、その外側、即ち各ミラーの裏面が連なる側（両側）にミラーの裏面がその内壁を構成するような２本の空気ダクト状の構成を採っており、光束の射出する射出口の近傍に配置されるミラーの両外側にそれぞれ２つの吸気口を有し、そこから吸入された外気は各ミラー面の裏面をそれぞれ流れ冷却しながら液晶プロジェクターの筐体内まで吸気される。更にプロジェクター装置内部を冷却して装置外へ別な排気口から排気される。

本実施例では、投射光束射出端部に塵埃防止の保護ガラスを設置しているが、これはプロジェクター装置内で発生する外気吸入のための負圧が、反射結像光学系の内側にも与圧される場合、ミラー有効部内側を外気がそのまま通過することを避けるために設置されて居るものである。

プロジェクター装置内で発生する負圧が、該反射ミラー裏面側に構成された冷却外気の筒状通路しか通らない（光路の部分には与圧されないように隔壁が構成されている）場合、上記の保護ガラスは不要である。

実施例１の画像投射装置の概略図である。実施例２の画像投射装置の概略図である。実施例３の画像投射装置の概略図である。実施例４の画像投射装置の概略図である。実施例５の画像投射装置の概略図である。実施例６の画像投射装置の概略図である。画像投射装置がスクリーンに画像を投射する様子を示す図である。

符号の説明

Ｍ１〜Ｍ６ミラー
Ｓ開口絞り
Ｐ色合成プリズム
ＬＣＤ画像表示パネル

Claims

原画を投射面に拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、前記投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラーを有し、複数のミラーのうち、少なくとも前記原画に最も近いミラーの基板をガラス又は金属製とすることを特徴とする画像投射装置。
前記基板がガラス又は金属製以外のミラーは樹脂成形品であることを特徴とする請求項１記載の画像投射装置。
原画を投射面に拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、前記投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラーを有し、複数のミラーのうち、少なくとも前記原画に最も近いミラーの反射膜をコールドミラーにすることを特徴とする画像投射装置。
前記反射膜がコールドミラーであるミラーの基板は、赤外光成分を透過する樹脂であることを特徴とする請求項３記載の画像投射装置。
原画を投射面に拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、前記投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラーを有し、前記複数のミラーは全て樹脂成型品であり、前記複数のミラーで囲まれた内側の空間を、前記複数のミラーとそれらを支持する構造物とにより屈曲した筒状に囲む構造物を構成して、前記筒状に囲む構造物の内側の反射面以外の部分が投射光路に干渉しないように構成されており、前記筒状に囲む構造物外を負圧とすることにより前記筒状の構造物の内部を通して外気を導入し、外気により前記複数のミラーの表面を冷却することを特徴とする画像投射装置。
原画を投射面に拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、前記投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラー有し、前記複数のミラーは全て樹脂成型品であり、投射光束の射出口端部に塵埃吸い込み防止目的の透明部材を設置し、投射光束は前記透明部材を透過して投射され、前記複数のミラーで囲まれた内側の空間を、前記複数のミラーとそれらを支持する構造物とにより屈曲した筒状に囲む構造物を構成し、前記筒状に囲む構造物の内側の反射面以外の部分が投射光路に干渉しないように配置されており、前記投射光束射出口の近傍の光束の通らない前記筒状に囲む構造物の壁の一部に外気を濾過清浄化するフィルターを具備した外気取り込み口を設置し、前記筒状に囲む構造物外を負圧とすることにより、前記外気取り込み口から濾過清浄化された外気を、前記筒状に囲む構造物の内部を通して導入し、外気により前記複数のミラーの表面を冷却することを特徴とする画像投射装置。
原画を投射面に拡大投射する投射光学系を有する画像投射装置において、前記投射光学系は非回転対称な非球面形状のミラーを含む複数のミラーを有し、前記複数のミラーは全て樹脂成型品であり、前記複数のミラーで挟まれた内側の空間を投射光束が反射され乍ら通過し、前記複数のミラーとそれらを支持する構造物とにより、前記複数のミラーの裏面側の面と前記構造物とで屈曲した筒状の構造物を構成し、前記筒状に囲む構造物外を負圧とすることにより、前記筒状に囲まれた構造物の内部を通して外気を導入し、外気により前記複数のミラーを裏面側から冷却することを特徴とする画像投射装置。