JP2006065054A - プロジェクター用光学エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ等の光源を用いるプロジェクター用光学エンジンにおいて、例えば緑色ＬＥＤ等の光源からの発光量をほぼ２倍にするなど発光量を向上する。
【解決手段】ＬＥＤ等の光源１０から出射されて映像表示素子１５で変調された光を側方から入射し、前方に反射させて投射するとともに、ＬＥＤ等の光源２０から出射されて映像表示素子２５で変調された光を後方から入射し、前方に透過させて投射する投射レンズ３０を備える。この投射レンズ３０は、ＬＥＤ等の光源１０及び映像表示素子１５からの画像が入射される第１のレンズ３１と、ＬＥＤ等の光源２０及び映像表示素子２５からの画像が入射される第２のレンズ３２と、第１のレンズから出射された画像を前方に反射し、かつ、第２のレンズから出射された画像を前方に透過する偏光ビームスプリッター３４と、この偏光ビームスプリッターにより合成された画像を投射する第３のレンズ３３とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクター用光学エンジンに関し、特に光源としてＬＥＤを用いるプロジェクターの光学エンジンに関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とする投射光学エンジンでは、フルカラー表示のための光源として光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色ＬＥＤモジュールを三方向に配置するのが従来一般的であった（特許文献１参照）。そして、その三方向の各色ＬＥＤモジュールから出射された光束を、各色専用の映像表示素子である各色ＬＣＤ（液晶パネル）で変調し、ダイクロイックプリズムで合成した後に投射レンズにより出射し、スクリーンにカラー画像を投影する。
特開２００１−４２４３１号公報（図１１）

しかし、現状ではＬＥＤ光源からの出射光量がまだ不足しており、特に自然な色バランスを実現するためには、緑色ＬＥＤからの照明光量が他の原色ＬＥＤに比べて不足していた。

本発明の課題は、ＬＥＤ等の光源を用いるプロジェクター用光学エンジンにおいて、例えば緑色ＬＥＤ等の光源からの発光量をほぼ２倍にするなど発光量を向上することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１に示すように、ＬＥＤ光源１０・２０と、このＬＥＤ光源から出射した光が入射する映像表示素子１５・２５と、この映像表示素子で変調された光を投射する投射手段とを備えるプロジェクター用光学エンジンであって、第１のＬＥＤ光源１０から出射されて第１の映像表示素子１５で変調された光を側方から入射し、前方に反射させて投射するとともに、第２のＬＥＤ光源２０から出射されて第２の映像表示素子２５で変調された光を後方から入射し、前方に透過させて投射する投射レンズ３０を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、投射レンズは、第１のＬＥＤ光源から出射されて第１の映像表示素子で変調された光を側方から入射し、前方に反射させて投射するとともに、第２のＬＥＤ光源から出射されて第２の映像表示素子で変調された光を後方から入射し、前方に透過させて投射する。
これにより、第１のＬＥＤ光源からの発光量に第２のＬＥＤ光源からの発光量が加わり、スクリーン上の投影画像がほぼ２倍の明るさになる。
しかも、投射レンズの内部で画像を合成する方が、従来行なわれていた、投射レンズの手前で照明光や画像を合成するよりも光の利用効率が高いものとなる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプロジェクター用光学エンジンであって、例えば図１に示すように、前記投射レンズ３０は、前記第１のＬＥＤ光源１０及び映像表示素子１５からの画像が入射する第１のレンズ３１と、前記第２のＬＥＤ光源２０及び映像表示素子２５からの画像が入射する第２のレンズ３２と、前記第１のレンズ３１から出射された画像を前方に反射し、かつ、前記第２のレンズ３２から出射された画像を前方に透過する偏光ビームスプリッター３４と、この偏光ビームスプリッター３４により合成された画像を投射する第３のレンズ３３とからなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、偏光ビームスプリッターは、第１のＬＥＤ光源及び映像表示素子から第１のレンズを経て入射した画像を前方に反射し、第２のＬＥＤ光源及び映像表示素子から第２のレンズを経て入射した画像を前方に透過する。
そして、第３のレンズは、偏光ビームスプリッターにより合成された画像を投射する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のプロジェクター用光学エンジンであって、例えば図１に示すように、前記第１のＬＥＤ光源１０は、前記投射レンズ３０に対し側方に配置される赤色ＬＥＤ１１Ｒ（不図示）、緑色ＬＥＤ１１Ｇ（図示）及び青色ＬＥＤ１１Ｂ（不図示）からなり、前記第２のＬＥＤ光源２０は、前記投射レンズ３０に対し後方に配置される緑色ＬＥＤ２１Ｇであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、投影画像では三原色のうち緑色成分のみが最大ほぼ２倍の明るさになる。
すなわち、従来は他の原色ＬＥＤに比べ適正光量が不足していた緑色ＬＥＤからの発光量を最大ほぼ２倍まで増強できるので、色バランスに優れた明るいフルカラー投影画像が得られる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロジェクター用光学エンジンであって、例えば図２に示すように、前記第１のＬＥＤ光源１０及び映像表示素子１５から右目用または左目用の一方の画像が前記投射レンズ３０に入射されるとともに、前記第２のＬＥＤ光源２０及び映像表示素子２５から右目用または左目用の他方の画像が前記投射レンズ３０に入射されて、前記投射レンズ３０により右目用の画像と左目用の画像とを合成した立体映像が投影されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、投射レンズには、第１のＬＥＤ光源及び映像表示素子から右目用または左目用の一方の画像が入射されるとともに、第２のＬＥＤ光源及び映像表示素子から右目用または左目用の他方の画像が入射される。
そして、これら右目用の画像と左目用の画像が投射レンズによる投影で合成された明るい立体映像が得られる。

請求項５に記載の発明は、光源と、この光源から出射した光が入射される映像表示素子と、この映像表示素子で変調された光を投射する投射手段とを備えるプロジェクター用光学エンジンであって、第１の光源から出射されて第１の映像表示素子で変調された光を側方から入射し、前方に反射させて投射するとともに、第２の光源から出射されて第２の映像表示素子で変調された光を後方から入射し、前方に透過させて投射する投射レンズを備えることを特徴とする。

本発明によれば、投射レンズにより、第１の光源、例えばＬＥＤ光源からの発光量に第２の光源、例えばＬＥＤ光源からの発光量が加わり、スクリーン上の投影画像をほぼ２倍の明るさにできる。また、第２のＬＥＤ光源として緑色の光源のみを採用すれば、従来は他の原色ＬＥＤに比べ適正光量が不足気味であった緑色ＬＥＤ等の光源からの発光量を最大ほぼ２倍まで調節できるので、色バランスに優れた明るいフルカラー投影画像が得られるようになる。
しかも、投射レンズの内部で画像を合成する方が、従来の投射レンズの手前で画像を合成するよりも光の利用効率が高いという利点がある。
また、水銀フリーで長寿命のＬＥＤ光源を搭載する光学エンジンとすれば、環境にも優しいという利点もある。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は透過型液晶パネル４枚を映像表示素子として用いた投射光学エンジンを示したもので、１０・２０はＬＥＤ光源、１１・２１はＬＥＤモジュール、１２・２２は偏光変換素子、１３・２３は照明系フィールドレンズ、１４・２４はコンデンサレンズ、１５・２５は映像表示素子（透過型液晶パネル）、１６は色合成プリズム、２７はミラー、３０は投射レンズである。

この実施形態は、図示のように、投射レンズ３０の側方に第１のＬＥＤ光源１０を配置して、投射レンズ３０の後方に第２のＬＥＤ光源２０を配置したものである。
第１のＬＥＤ光源１０は、投射レンズ３０の側方において、側方に延びた光軸Ａ方向に配置する三原色の赤色ＬＥＤモジュール１１Ｒ、緑色ＬＥＤモジュール１１Ｇ及び青色ＬＥＤモジュール１１Ｂから構成されている。図１では緑色ＬＥＤモジュール１１Ｇの照明系のみが示されており、１２は該モジュールに組み合わされた偏光変換素子である。
赤色ＬＥＤモジュール１１Ｒの照明系は、図１の紙面の裏側奥（または表側手前）に配置され、その光軸は色合成プリズム１６の中心から紙面の裏側（または表側）に向かって垂直に延びている。一方、青色ＬＥＤモジュール１１Ｂの照明系は、図１の紙面の表側手前（または裏側奥）に配置され、その光軸は色合成プリズム１６の中心から紙面の表側（または裏側）に向かって垂直に延びている。

各色ＬＥＤモジュール１１（図示では緑色ＬＥＤモジュール１１Ｇ）からの出射光は、偏光変換素子１２によりＳ偏光となり、照明系フィールドレンズ１３及びコンデンサレンズ１４を経て各色画像用の映像表示素子である各色画像用透過型液晶パネル１５（図示例では緑色画像用透過型液晶パネル１５Ｇ）に入射する。
これら各色画像用透過型液晶パネル１５は、入射した直線偏光の方向を、画素毎に印加された電圧により回転させ透過率を制御することで所定の映像情報を与え、色合成プリズム１６に出射する。
すなわち、光軸Ａ方向には、色合成プリズム１６の周囲三方の赤色、緑色及び青色の通常の３板式透過型液晶パネル１５Ｒ・１５Ｇ・１５Ｂを用いた投射光学エンジンが配置され、これらの原色照明系の画像は色合成プリズム１６により合成して投射レンズ３０に出射される。この色合成プリズム１６はＸプリズムともいう。

第２のＬＥＤ光源２０は、投射レンズ３０の後方において、側方に９０゜折り曲げた光軸Ｂ方向に配置された緑色ＬＥＤモジュール２１Ｇであり、２２は偏光変換素子である。この緑色ＬＥＤモジュール２１Ｇからの出射光は、偏光変換素子２２によりＰ偏光となった後、照明系フィールドレンズ２３及びコンデンサレンズ２４を経て緑色画像用映像表示素子である緑色画像用透過型液晶パネル２５Ｇに入射する。
この緑色画像用透過型液晶パネル２５Ｇは、入射した直線偏光の方向を、画素毎に印加された電圧により回転させ透過率を制御することで所定の映像情報を与え、ミラー２７に出射する。
すなわち、光軸Ｂ方向には、緑色画像用透過型液晶パネル２５Ｇのみが配置され、その緑色照明系の画像はミラー２７により反射して投影レンズ３０に出射される。
なおこの際、偏光変換素子２２でＰ偏光とする代わりに、１２と同様の偏光変換素子を用いてＳ偏光とし、ミラー２７の入口から偏光ビームスプリッター３４の入口までの間に半波長板を挿入してＰ偏光に変換する構成も可能である。

上述した光軸Ｂ方向の緑色ＬＥＤモジュール２１Ｇ及び緑色画像用透過型液晶パネル２５Ｇは、偏光ビームスプリッター３４から見て、光軸Ａ方向の各色ＬＥＤモジュール１１（図示では緑色ＬＥＤモジュール１１Ｇ）及び各色画像用透過型液晶パネル１５（図示例では緑色画像用透過型液晶パネル１５Ｇ）と同じ光学距離位置に配置されており、さらにこれら両パネル及び両ＬＥＤモジュールはそれぞれ特性及びサイズが全く同一である。
また、光軸Ａ方向の緑色画像用透過型液晶パネル１５Ｇと光軸Ｂ方向の緑色画像用透過型液晶パネル２５Ｇは、全く同じ映像信号で同期を取って駆動される。

投射レンズ３０は、第１のレンズ３１、第２のレンズ３２、第３のレンズ３３及び偏光ビームスプリッター３４から構成される９０゜折り曲げ式合成光学系である。
まず、第１のレンズ３１には、光軸Ａ方向の色合成プリズム１６により３色が合成された原色照明系のＳ偏光画像が入射される。この第１のレンズ３１は、光軸Ａ方向からのＳ偏光画像を偏光ビームスプリッター３４に出射する。
また、第２のレンズ３２には、光軸Ｂ方向のミラー２７により反射された緑色照明系のＰ偏光画像が入射される。この第２のレンズ３１は、光軸Ｂ方向からのＰ偏光画像を偏光ビームスプリッター３４に出射する。

そして、偏光ビームスプリッター３４は、光軸Ａ方向からのＳ偏光画像を前方の第３のレンズ３３方向に反射し、かつ、光軸Ｂ方向からのＰ偏光画像を前方の第３のレンズ３３方向に透過する。すなわち、この偏光ビームスプリッター３４によって、光軸Ａ方向からの原色照明系のＳ偏光画像と光軸Ｂ方向からの緑色照明系のＰ偏光画像が合成されて第３のレンズ３３に出射される。
第３のレンズ３３は、偏光ビームスプリッター３４により合成された直交偏光画像を投射して図示しないスクリーン上に映像を投影する。
従って、以上の投射レンズ３０を用いれば、二方向からの直交偏光の投影画像を重ね合わせることができる。

以上の投射光学エンジンによれば、三原色のうち緑色成分のみを通常の最大２倍の明るさにまですることができる。
すなわち、従来は他の原色ＬＥＤに比べ適正光量が不足していた緑色ＬＥＤからの発光量をほぼ２倍まで増大できるので、色バランスの調整範囲が広がり、白色の奇麗なフルカラー投影画像が得られる明るい光学エンジンを実現できる。
また、投射レンズ３０の内部で画像を合成する方が、従来の投射レンズの手前で画像を合成するよりも光の利用効率が高いという効果がある。
さらに、以上の光学エンジンは、従来のバルブランプ光源とは異なり、水銀フリーで長寿命のＬＥＤ光源を搭載しているため、環境にも優しいという効果もある。

（第２実施形態）
図２は立体映像を投影する投射光学エンジンを示したもので、図１のミラー２７に代えて色合成プリズム２６とし、緑色のみでなく赤色と青色も加えた第２のフルカラー画像を作る光学エンジンを接続した点が構成上異なっており、他の光学部品は図１と同様の符号を付している。
この実施形態は、光学的には独立し、構造的には全く同一の二つの投射光学エンジンからの映像を投射レンズ３０で一つの投射画像に合成するものである。

すなわち、第１実施形態と同様、光軸Ａ方向に、色合成プリズム１６の三方に赤色、緑色及び青色の３板式透過型液晶パネル１５Ｒ・１５Ｇ・１５Ｂを用いた投射光学エンジンが配置されている。
そして、後方に延びた光軸Ｂ方向にも、色合成プリズム２６の三方に赤色、緑色及び青色の３板式透過型液晶パネル２５Ｒ・２５Ｇ・２５Ｂを用いた投射光学エンジンが配置されている。
図示例では、緑色画像用透過型液晶パネル２５Ｇ及び緑色ＬＥＤモジュール２１Ｇの照明系のみが示されており、赤色画像用透過型液晶パネル２５Ｒ及び赤色ＬＥＤモジュール２１Ｒの照明系と青色画像用透過型液晶パネル２５Ｂ及び青色ＬＥＤモジュール２１Ｂの照明系は、図２の紙面に対し垂直方向で紙面の表裏側に配置される。

ここで、光軸Ａ方向の３板式透過型液晶パネル１５Ｒ・１５Ｇ・１５Ｂ及び光軸Ｂ方向の３板式透過型液晶パネル２５Ｒ・２５Ｇ・２５Ｂへ送られる映像信号は当然同期が取られており、常に同時刻の映像を表示するようになっている。
そして、光軸Ａ方向の投射光学エンジンからは色合成プリズム１６で合成された右目用（または左目用）フルカラー画像が投射され、光軸Ｂ方向の投射光学エンジンからは色合成プリズム２６で合成された左目用（または右目用）フルカラー画像が投射される。

従って、投射レンズ３０において、光軸Ａ方向からのＳ偏光右目用（または左目用）フルカラー画像が第１のレンズ３１から偏光ビームスプリッター３４に入射するとともに、第２のレンズ３２には、光軸Ｂ方向からＰ偏光左目用（または右目用）フルカラー画像が偏光ビームスプリッター３４に入射する。
この偏光ビームスプリッター３４により光軸Ａ方向からのＳ偏光右目用（または左目用）フルカラー画像と光軸Ｂ方向からのＰ偏光左目用（または右目用）フルカラー画像が合成されて、第３のレンズ３３により立体映像が投影される。
すなわち、右目用フルカラー画像と左目用フルカラー画像が投射レンズ３０による投影で合成された明るい立体映像が得られる。

なお、以上の実施形態においては、投射レンズに対し側方に配置される第１のＬＥＤ光源を三原色の各色ＬＥＤとして、投射レンズに対し後方に配置される第２のＬＥＤ光源を緑色ＬＥＤとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、逆に第１のＬＥＤ光源を緑色ＬＥＤとして、第２のＬＥＤ光源を三原色の各色ＬＥＤとしても良い。
また、実施形態ではＬＥＤ光源としたが、これ限らず、他の光源であっても良い。
また、投射レンズを構成する第１、第２及び第３のレンズについては、単独のレンズまたはレンズ群であっても良い。
さらに、光学部品の具体的な配置や細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。

本発明を適用した光学エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。 本発明を適用した光学エンジンの第２実施形態を示す概略構成図である。

符号の説明

１０・２０ ＬＥＤ光源
１１・２１ ＬＥＤモジュール
１１Ｇ・２１Ｇ 緑色ＬＥＤモジュール
１２・２２ 偏光変換素子
１３・２３ 照明系フィールドレンズ
１４・２４ コンデンサレンズ
１５・２５ 映像表示素子（透過型液晶パネル）
１５Ｇ・２５Ｇ 緑色画像用映像表示素子（緑色画像用透過型液晶パネル）
１６・２６ 色合成プリズム
２７ ミラー
３０ 投射レンズ
３１ 投射レンズを構成する第１のレンズ（またはレンズ群）
３２ 投射レンズを構成する第２のレンズ（またはレンズ群）
３３ 投射レンズを構成する第３のレンズ（またはレンズ群）
３４ 偏光ビームスプリッター

Claims (5)

1. ＬＥＤ光源と、このＬＥＤ光源から出射した光が入射する映像表示素子と、この映像表示素子で変調された光を投射する投射手段とを備えるプロジェクター用光学エンジンであって、
   第１のＬＥＤ光源から出射されて第１の映像表示素子で変調された光を側方から入射し、前方に反射させて投射するとともに、
   第２のＬＥＤ光源から出射されて第２の映像表示素子で変調された光を後方から入射し、前方に透過させて投射する投射レンズを備えることを特徴とするプロジェクター用光学エンジン。
2. 前記投射レンズは、
   前記第１のＬＥＤ光源及び映像表示素子からの画像が入射する第１のレンズと、
   前記第２のＬＥＤ光源及び映像表示素子からの画像が入射する第２のレンズと、
   前記第１のレンズから出射された画像を前方に反射し、かつ、前記第２のレンズから出射された画像を前方に透過する偏光ビームスプリッターと、
   この偏光ビームスプリッターにより合成された画像を投射する第３のレンズとからなることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター用光学エンジン。
3. 前記第１のＬＥＤ光源は、前記投射レンズに対し側方に配置される赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青色ＬＥＤからなり、
   前記第２のＬＥＤ光源は、前記投射レンズに対し後方に配置される緑色ＬＥＤであることを特徴とする請求項１または２に記載のプロジェクター用光学エンジン。
4. 前記第１のＬＥＤ光源及び映像表示素子から右目用または左目用の一方の画像が前記投射レンズに入射されるとともに、
   前記第２のＬＥＤ光源及び映像表示素子から右目用または左目用の他方の画像が前記投射レンズに入射されて、
   前記投射レンズにより右目用の画像と左目用の画像とを合成した立体映像が投影されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のプロジェクター用光学エンジン。
5. 光源と、この光源から出射した光が入射される映像表示素子と、この映像表示素子で変調された光を投射する投射手段とを備えるプロジェクター用光学エンジンであって、
   第１の光源から出射されて第１の映像表示素子で変調された光を側方から入射し、前方に反射させて投射するとともに、
   第２の光源から出射されて第２の映像表示素子で変調された光を後方から入射し、前方に透過させて投射する投射レンズを備えることを特徴とするプロジェクター用光学エンジン。

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