JP2006337941A - 画像投影装置及び画像投影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広色域な画像投影が可能であり、また光源の交換作業が容易で寿命の長期化を図ることが可能な画像投影装置、画像投影方法を提供する。
【解決手段】光源５１と、光源５１からの光を情報に対応して変調する光変調部５２と、光変調部５２から出射される光を投影する投影光学部５３とを少なくとも有する画像投影装置５０であって、光源５１は、レーザダイオード等の固体光源１と、放電ランプ２とより成り、放電ランプ２を、少なくとも、この放電ランプ２から出射される光と固体光源１から出射される光とを合成する光合成部５５と一体に、かつ交換可能として構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を光変調部により変調してスクリーンなどに投影して画像を表示する画像投影装置及び画像投影方法に関する。

液晶パネルやＤＭＤ（digital micromirror device）素子などの光変調素子を照明装置によって照明し、この空間光変調素子からの透過光、もしくは、反射光を投影レンズによってスクリーン上に投影するように構成された画像投影装置（光学式プロジェクタ）が知られている。この画像投影装置においては、光源からの光を赤、緑、青の波長帯域に分離して上述の光変調素子によってそれぞれ変調し、スクリーンに投射して重ね合わせることによって、カラーの画像表示を行っている。そしてこの画像投影装置に使われる光源としては、可視光領域で発光効率の高い超高圧水銀ランプが使われることが多く、これを用いることにより効率良く照明光を出射することができるようになされている。

超高圧水銀ランプのスペクトルは図６にその一例を示すように緑、青色波長帯域のスペクトルは非常にシャープであり、光強度も十分にある一方、赤色は相対的に光量が足りない状況にある。現状では、赤、緑及び青それぞれのカラーフィルタなどを用いて図７に示すように、それぞれＳ１、Ｓ２及びＳ３で示す個別のスペクトルの光を用いてカラー表示を行っているが、赤色光に合わせて他の色の光の光量を調整しているため、全体として十分高い輝度のカラー表示を行い難い。

一方で、近年このような画像投影装置を含むディスプレイ全般に、広色再現領域を持ち、鮮やかな色彩を表現可能なディスプレイシステムが注目されている。このような広色域ディスプレイを画像投影装置で実現する方法の一例として、例えば以下に示す方法が考えられる。
第１に、光源として超高圧水銀ランプ（ＵＨＰランプ）を用い、その赤色のスペクトルのうち波長の短い領域、例えば５８０ｎｍから６１０ｎｍ付近のブロードなスペクトルを利用せず、それ以上の長波長側の光で色を表現する方法があげられる。しかしこの方法では赤色の光量が減ってしまい、それと色バランスを取るために、緑色、青色波長帯域の光も抑圧する必要があるため、全体の明るさが減少するといったデメリットがある。また、逆に明るさを確保するために高出力のランプを使うことも想定されるが、その場合は光源の寿命が短くなってしまうというデメリットがある。

第２に、可視光領域でスペクトルがブロードなキセノンランプを用いることが考えられる。キセノンランプを用いれば、ＵＨＰランプ程明るさを抑圧せずに色域を広げることが可能だが、赤外光と紫外光の一部にも連続したスペクトルがあるため、光利用効率が低く、高い消費電力が必要となるといったデメリットがある。
第３に、ＲＧＢ３色のＬＥＤ（発光ダイオード）、もしくは半導体レーザなどの固体光源を用いる方法が考えられる。しかし、ＬＥＤ光源では、近年多く利用される１インチ以下のサイズの光変調素子に十分な光量を与えることは困難であり、また、レーザ光源では、特に青色、緑色波長帯域において、小型、長寿命などといった要素を備え持ち、かつ、低価格であるレーザ光源を入手するのは困難である。

これに対し、赤色波長帯域を有する高出力レーザは、青色、緑色波長帯域をもつものに比べ比較的入手しやすい状況にあることを利用して、この赤色レーザ光源を組み合わせて、いわば２つの光源（主光源と副光源）を用いる画像投影システムが提案されている（例えば特許文献１〜３参照。）。
特開２００２−２９６６８０号公報 特開２００４−２２６６１３号公報 特開２００４−２６６８１３号公報

上記特許文献１〜３に記載の画像投影システムにおいては、光源が主光源と副光源から形成されており、主光源と副光源を単に合成（重畳）することにより、光の効率的な利用や色バランスの調整が図られている。しかし、特に広色域化という観点に立った場合、上述した超高圧水銀ランプなどの主光源に対して単に副光源としてレーザ光の光を合成（重畳）する方法では、その効果が視覚的に容易に認識できず、赤色帯域の色調が十分表示されないという問題がある。

また、光源の寿命について考慮すると、一般に超高圧水銀ランプはW数にもよるが１０００ｈから１００００ｈ程度であるため、画像投影装置としての製品寿命より短い。したがって交換可能な状態で製品化されることが求められる。
一方、レーザダイオードは、使用状態によりその寿命は大きく変わる。一般に画像投影装置で用いられる比較的高出力のレーザは、２０℃程度の動作を保証できれば約２００００ｈ程度動作する。ただし２５℃の動作では１００００h、１５℃の動作では４００００hと変化することが知られている。
したがって、固体光源の交換の必要性は、熱設計に大きく依存する。画像投影装置の規模、大きさによっては良好な放熱、冷却構造を設けることが可能であるが、この場合においても、何らかの外部要因や一部の部品の不具合などによって、所期の熱特性を維持できない恐れがある。
このため、各光源の交換を可能とすることが望ましく、またその交換作業にあたって、光軸の調整等、光学部品としての組み込み作業を容易にすることが必要となる。

以上の問題に鑑みて、本発明は、広色域な画像投影が可能な画像投影装置及び画像投影方法を提供し、また光源の交換作業が容易で寿命の長期化を図ることが可能な画像投影装置及び画像投影方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、光源と、光源からの光を情報に対応して変調する光変調部と、光変調部から出射される光を投影する投影光学部とを少なくとも有する画像投影装置であって、光源は、固体光源と、放電ランプとより成り、放電ランプが、この放電ランプから出射される光と固体光源から出射される光とを合成する光合成部と一体に構成されるか、或いは、放電ランプが、この光合成部に至る光路上の光学部品の少なくとも一部と一体に構成され、交換可能とされて成る構成とする。
また、本発明は、上述の画像投影装置において、放電ランプから出射され光変調部に到達する光の光量が調整される調整部が設けられて成る構成とする。

また、本発明による画像投影方法は、光源を、固体光源と、放電ランプとより構成し、放電ランプから出射される光の光量を調整して固体光源から出射される光に重畳し、光変調部により変調して画像を投影する画像投影方法であって、放電ランプを、この放電ランプから出射される光と固体光源から出射される光とを合成する光合成部と一体に構成するか、或いは、放電ランプを、この光合成部に至る光路上の光学部品の少なくとも一部と一体に構成し、交換可能とする。

上述したように、本発明による画像投影装置及び画像投影方法においては、光源として、固体光源と、放電ランプとを用いるもので、放電ランプを、この放電ランプから出射される光と固体光源から出射される光とを合成する光合成部と一体に構成するか、或いは、この光合成部に至る光路上の光学部品の少なくとも一部と一体に構成し、かつ交換可能とすることから、一般に、固体光源に対して比較的寿命が短い放電ランプを交換するにあたって、光軸調整などの光学的な調整が容易となり、交換作業の簡易化を図ることができる。これにより、装置全体の寿命の長期化も図ることができる。

以上説明したように、本発明の画像投影装置及び画像投影方法によれば、放電ランプの交換作業を容易にして、寿命の長期化を図ることができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の各例に限定されるものではない。
以下の例においては、本発明の画像投影装置及び画像投影方法を、光変調部として液晶パネルを用いた例について説明する。
〔１〕第１の実施形態例
図１に、本発明の画像投影装置５０の第１の実施形態例の概略構成図を示す。
図１に示すように、この画像投影装置５０の光源５１は、赤色レーザダイオード等より成る固体光源１と、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ２より構成される。放電ランプ２には、その反射光がほぼ平行光となる反射曲面を有するリフレクター３が設けられ、この例においては、放電ランプ２は第１のダイクロイックミラー５と対向して、固体光源１の出射光の光軸と例えば９０°をなす光軸上に配置される。固体光源１の光出射側の光軸上には、コリメートレンズ等の集光レンズ４、第１のダイクロイックミラー５、第１フライアイレンズ６、第２フライアイレンズ７、偏光ビームスプリッター８、コンデンサーレンズ９、ダイクロイックミラー１０、第２のダイクロイックミラー１２、レンズ１５、ミラー１３がこの順に配置される。
なお、第１及び第２のダイクロイックミラー５及び１２は、後述するように、それぞれ放電ランプ２からの光、この場合赤色帯域の光の光量を調整する調整部５４Ａ及び５４Ｂとして機能する。

一方、ダイクロイックミラー１０の反射側にミラー１１が配置され、ミラー１１により例えば９０°光路を変換された光軸上にフィールドレンズ１７Ｂ及び液晶パネル１８Ｂが配置される。第２のダイクロイックミラー１２の反射側にも同様にフィールドレンズ１７Ｇ及び液晶パネル１８Ｇ、またミラー１３の反射側にレンズ１６を介してミラー１４が配置され、このミラー１４により光路を例えば９０°変換された光軸上にフィールドレンズ１７Ｒ、液晶パネル１８Ｒが配置され、光変調部５２が構成される。各液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ及び１８Ｂの光出射側にクロスプリズム１９が配置され、その光出射側に投影レンズ２０等より成る投影光学部５３が配置される。

このような構成において、赤色レーザダイオード等より成る固体光源１から出射された光束は、コリメートレンズ４によりほぼ平行光となり、第１のダイクロイックミラー５に入射し、ダイクロイックミラー５ではその大部分が透過する。超高圧水銀ランプ等の放電ランプ２から出射された光束は、リフレクター３によってほぼ平行光となり、ダイクロイックミラー５に入射する。放電ランプ２から出射された光束のうち一部の光束はこのダイクロイックミラー５を透過し、他の光束はダイクロイックミラー５によって反射される。
ダイクロイックミラー５を透過した固体光源１からの光束、および、ダイクロイックミラー５で反射された放電ランプ２からの光束は、第１フライアイレンズ６、第２フライアイレンズ７に入射する。第１及び第２フライアイレンズ６及び７は、光源からの入射光に関し、光束の空間分布を均一化する作用を有する。第１及び第２フライアイレンズ６及び７を透過した光束は、偏光ビームスプリッター８に入射し、ここで偏光方向がある特定の方向にそろえられる。偏光ビームスプリッター８を透過した光束は、コンデンサーレンズ９によって集光されて、ダイクロイックミラー１０に入射する。

ダイクロイックミラー１０は、青色波長帯域の光束を反射し、緑色、赤色波長帯域の光束を透過する。この透過光の出射側に配置する第２のダイクロイックミラー１２では、緑色波長帯域の光束を反射し、赤色波長帯域の光束を透過する。これらの作用によって、固体光源１及び放電ランプ２から出射された光束は、赤、緑及び青色の光に分割される。分割された光束はそれぞれミラー、レンズを介して光変調部５２のそれぞれの色を担当する透過型の光変調部、この例では液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ及び１８Ｂに入射される。すなわちこの場合、青色の光束はミラー１１に反射され、フィールドレンズ１３を介して青色光を変調する液晶パネル１８Ｂに入射される。緑色光は、フィールドレンズ１７Ｇを介して緑色光を変調する液晶パネル１８Ｇに入射される。赤色光は、レンズ１５、ミラー１３、レンズ１６を介してミラー１４に反射されて、フィールドレンズ１７Ｒを介して赤色光を変調する液晶パネル１８Ｒに入射される。
この透過型の液晶パネルより成る光変調部５２によって画像変調された赤色、緑色及び青色波長帯域それぞれの光束は、光を合成するクロスプリズム１９によって合成され、投影レンズ２０等より成る投影光学部５３で例えばスクリーン（図示せず）に投影される。

このように、本発明の画像投影装置５０においては、光源５１は第１の光源である赤色レーザダイオード等より成る固体光源１、第２の光源である超高圧水銀ランプ等を利用した放電ランプ２の２つの光源より構成する。
そして本発明においては、図１に示すように、放電ランプ２と、この放電ランプ２から出射される光と、固体光源１から出射される光とを合成する光合成部５５、図示の例においては第１のダイクロイックミラー５とを一体化し、かつこれら一体化された放電ランプ部６０を交換可能として構成する。

さらにこの場合、固体光源１と集光レンズ４とを一体化した構成とし、これらを固体光源部６１として示す。このように、光学的な調整が比較的煩雑な放電ランプ２と光合成部５５、この場合第１のダイクロイックミラー５とを一体に構成し、交換可能とすることによって、放電ランプ２の劣化による交換作業を非常に簡易化することができる。
更に、位置精度の厳しい固体光源１と集光レンズ４とが予め一体に形成される構成とすることにより、画像投影装置５０の組み立て工程が簡易化されるとともに、この固体光源部６１を交換可能な構成とすることによって、装置全体の寿命の長期化を図り、また交換作業の簡易化が図られる。

また、この例においては、この放電ランプ部６０と固体光源部６１とが、交換可能な光源部６２として構成される例を示す。このように、放電ランプ２を光合成部５５とともに一体化し、かつ交換可能とすることに加え、更に固体光源部６１と集光レンズ４とを一体化して交換可能とすることによって、光源５１の少なくとも一方の動作特性が劣化するなどの不具合が生じた場合においてもその交換作業が容易となり、したがって比較的簡単なメンテナンスによって、画像投影装置５０の寿命の長期化を図ることができる。

ここで、固体光源１の例えば赤色レーザダイオードとしては、例えば発振波長が６４５ｎｍ近傍、半値全幅が１．５ｎｍ程度のものを用いることができる。このような赤色レーザダイオードは、非常に単色性の高い光源である。一方、第２の光源として用いる放電ランプ２としては、超高圧水銀ランプが利用可能であり、その出射光は前述の図６において示したように、青色、緑色波長帯域にはシャープなスペクトルを有するが、赤色波長帯域はブロードなスペクトルになっている。

そして、この実施形態例においては、光源５１の第２の光源である放電ランプ２の赤色帯域の光の光量を、第１及び第２のダイクロイックミラー５及び１２より構成される調整部５４Ａ、５４Ｂにより調整するものである。
例えば、第１のダイクロイックミラーの透過率５０％波長を５６５ｎｍ、第２のダイクロイックミラーの透過率５０％波長を６００ｎｍとし、１０％透過の波長から９０％透過の波長までの波長幅を、第１及び第２のダイクロイックミラー共に１５ｎｍとする。
この場合、青色、緑色を担当する光変調部である液晶パネル１８Ｂ、１８Ｇに対しては、第２の光源である放電ランプ２から発光した光束が入射する構成であり、赤色を担当する光変調部である液晶パネル１８Ｒに対しては、第１光源である固体光源１からの光束のみが入射する構成となる。

図２に、このような構成とした場合の投影レンズ２０を透過後の光束のスペクトルの一例を示す。
このように、赤色を担当する光変調部に対し、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ２からの光を入射させず、赤色レーザダイオード等の固体光源１のみの光を入射させる場合は、図２において、青色帯域、緑色帯域、赤色帯域の光のスペクトルをそれぞれＳＢ、ＳＧ及びＳＲで示すように、それぞれ比較的シャープなスペクトルとなる。これらの各色光によりカラー表示を行うことによって、非常に広色域な投影装置を実現することができる。
この例においては、白色表示時の色温度は９０００Ｋと設定したとき、赤色表示時の色度座標はｘ＝０．７２３、ｙ＝０．２７７程度となり、従来の超高圧水銀ランプのみを使った画像投影装置や、超高圧水銀ランプの赤色不足分を単色光源（レーザやＬＥＤ）の光を単に重畳してカラー表示を行う画像投影装置と比較して、広色域化を図った高性能な画像投影装置を実現することができる。

なお、このように、放電ランプ２から出射された光が、赤色光を変調する液晶パネルには到達しない構成とするには、例えば上述の透過率５０％波長が５６５ｎｍの第１のダイクロイックミラーに対して、第２のダイクロイックミラーの透過率５０％波長は、この第１のダイクロイックミラーで反射した放電ランプ２からの光を全て反射し、固体光源１からの光を全て透過する構成とすればよく、５８０ｎｍ〜６３０ｎｍ程度であればよい。

またこの実施形態例においては、青色、緑色を担当する光変調部である液晶パネルに入射する光束は第２光源である放電ランプ２から、赤色を担当する光変調部である液晶パネルに入射する光束は第１光源である固体光源１からの光しか入射しないにも関わらず、一度第１のダイクロイックミラー５により光路を合成している。このように、一度光路を合成する場合は、光路を合成せずにそれぞれの光路から各色を担当する光変調部に入射させる構成とする場合と比べて、より装置が簡略になり、高性能で小型な画像投影装置を実現することができるという利点を有する。

また、上述の例と同様にダイクロイックミラー等より成る調整部を設ける場合は、各ダイクロイックミラーの透過波長を適宜選定することにより、放電ランプ２から出射された光のうち一部の赤色帯域の光を、固体光源１から出射された赤色光に重畳して赤色を担当する光変調部に入射させることも可能である。
例えば、図１に示す構成の画像投影装置において、第１のダイクロイックミラー５として、５０％透過波長を５７０ｎｍ付近に設定し、第２のダイクロイックミラー１２として、５０％透過波長を５７５ｎｍ付近に設定して、各ダイクロイックミラー５及び１２の１０％透過波長から９０％透過波長までの波長幅をそれぞれ１５ｎｍ程度として構成する例を考える。

このとき、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ２から出射された波長５７５ｎｍの光束は、第１のダイクロイックミラー５で２０％程度が反射し、更に第２のダイクロイックミラー１２において５０％が透過するため、１０％程度が赤色を担当する光変調素子、すなわち液晶パネル１８Ｒに入射することになる。一方、波長５８０ｎｍの光束は、第１のダイクロイックミラー５をほぼ全てが透過するため、赤色担当の光変調素子には到達しない。この場合、第１及び第２のダイクロイックミラーによって、固体光源１から出射される光及び放電ランプ２から出射される一部の短波長側の赤色帯域の光と、放電ランプ２から出射される残りの長波長側の波長帯域の光とが分離される構成となる。
このような構成とする場合においても、上述の例と同様に、白色表示時の色温度を９０００Ｋと設定したとき、赤色表示時の色度点としてｘ＞０．６８を実現することができた。

通常、色純度の高い赤色レーザダイオード等の固体光源に対し、より色純度の低い短波長の光を混ぜた場合、その光量がわずかであっても、ｘｙ表色系上での色度は急激に白色側に近づく方向、つまりｘが小さく、ｙが大きくなってしまい、広色域という特徴が出せなくなってしまう。
どの程度の広色域が実現されることが画像投影装置として好ましいかというのは、視聴者の主観に依存する部分であり確固たる目安があるわけではないが、いろいろな色度点を持つ画像投影装置を複数試作し、それにより表示される静止画、動画などを含めた映像を評価した結果、赤色の色度点がｘ＞０．６８とされることが１つの目安となるとの結論を得た。
そして、これを実現するために、赤色を表示したときの超高圧水銀ランプ等の放電ランプの光量（Ｗ）を、赤色レーザダイオード等の固体光源の光量（Ｗ）に対しある程度以下に抑える必要がある。この比率の境界値は、固体光源の出射波長例えば赤色レーザダイオードの発振波長、放電ランプ例えば超高圧水銀ランプのスペクトルなどに依存する。

固体光源の出射波長としては、長波長（例えば６５０ｎｍ以上）では視感度が小さく明るい投影装置を実現することが困難なこと、および短波長（例えば６４０ｎｍ以下）では、例えば高出力レーザダイオードの実現が困難であること、広色域という特徴が得られにくいことなどを考慮すると、赤色光を出射する固体光源、特にレーザダイオードの波長としては６４０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下が適している。

そしてこの場合、超高圧水銀ランプ等の放電ランプの光量（Ｗ）は、赤色レーザダイオード等の固体光源の光量（Ｗ）に比して低ければ色域の問題を改善することができる。
例えば、上述の図１に示す構成の画像投影装置において、放電ランプ２からの光束が赤色を担当する光変調素子（液晶パネル１８Ｒ）に到達しない構成とする場合は、スクリーン上に赤色を表示した際の放電ランプ２の光の光量は、固体光源１からの出射光の光量に対して、略０％である。

また、図１に示す構成において、第１のダイクロイックミラー５として、５０％透過波長を５７０ｎｍ付近に設定し、第２のダイクロイックミラー１２として、５０％透過波長を５７５ｎｍ付近に設定して、各ダイクロイックミラー５及び１２の１０％透過波長から９０％透過波長までの波長幅をそれぞれ１５ｎｍ程度として構成する場合においては、スクリーン上に赤色を表示した際の放電ランプ２の光の光量は、固体光源１からの出射光の光量に対して、３％程度であり、各例ともに、ｘ＞０．６８を達成し、従来に比して広色域化を図ることができた。
なお、放電ランプの赤色帯域の光の光量を調整することなく、固体光源からの出射光に合成した例においては、その光量比は、１５％程度であり、この場合は上述したように、色度座標はｘ＝０．６６５程度、ｙ＝０．３３程度であって、従来の画像投影装置と同程度であり、広色域化には不十分であることがわかる。
また、第１及び第２のダイクロイックミラーの透過率５０％波長を調整して、スクリーン上に赤色を表示した際の放電ランプ２の光の光量を、固体光源１からの出射光の光量に対して９％としたときに、その赤色表示時の色度点はｘ＝０．６８２であった。

すなわち、上述の各例におけるように、発振波長６４５ｎｍの赤色レーザダイオードを固体光源として用い、放電ランプとして超高圧水銀ランプを用いる場合においては、放電ランプ２から出射され投影光学部５３を透過した後の赤色帯域の光の出力を、固体光源１から出射され投影光学部５３を透過した後の出力の０％以上１０％以下とするときに、確実に、赤色表示時の色度点ｘ＞０．６８を実現できることがわかる。

一方、固体光源として、例えばより長波長の発振波長を有する高出力レーザを用いる場合や、または放電ランプとして超高圧水銀ランプとは異なるスペクトルの光源を用いる場合、更に、投射光学部の構成、スクリーンとして用いるディスプレイのコントラスト等の調整によって、上述の出力比が１０％を超える値とされる場合においても、赤色表示時の色度点ｘ＞０．６８を実現することが可能である。しかしながら、この出力比（Ｗ比）が５０％を超える場合は、放電ランプからの出射光のうち、固体光源からの出射光の波長より短い波長帯域の光の影響を抑制することが難しく、赤色表示時の色度点ｘ＞０．６８を達成することは難しいと考えられる。
したがって、放電ランプ２から出射され投影光学部５３を透過した後の赤色帯域の光の出力を、固体光源１から出射され投影光学部５３を透過した後の出力の０％以上５０％以下に選定することが望ましいことがわかる。
なお、このように放電ランプの光の光量を調整する調整部としては、その他ホログラムなど、またダイクロイックミラーとビームスプリッターとの組み合わせなど、種々の光学部品を利用することが可能である。

なお、上述の実施形態例、また以下説明する各実施形態例においては、固体光源として赤色レーザダイオードを用いて、放電ランプから出射され、光変調部に到達する光のうち赤色帯域の光の光量を調整する調整部を設ける場合を示すが、固体光源として、赤色及び緑色のレーザダイオードを用いて、放電ランプから出射され、光変調部に到達する光のうち、赤色帯域及び緑色帯域の光の光量を調整する調整部を設ける場合にも本発明を適用することができるなど、固体光源の数や種類、また調整部の機能などは、その他種々の変更が可能である。

次に、固体光源と放電ランプの特性を考慮した画像投影装置の各実施形態例を、図３及び図４を参照して説明する。
前述の図１に示す構成の画像投影装置は、部品点数が少なく、最も簡単な構成とした例を示す。しかしながら、前述したように、例えば放電ランプ２として超高圧水銀ランプを用いる場合、一般に動作温度は２００℃程度の温度が要求されるのに対して、固体光源１として例えばレーザダイオードを用いる場合は、動作時の温度を２０℃程度とすることが要求される。このため、固体光源１及び放電ランプ２の熱特性を考慮した配置とすることが重要となる。

〔２〕第２の実施形態例
図３は、本発明による画像投影装置の第２の実施形態例による概略構成図を示す。図３において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、固体光源１からの光束と、放電ランプ２からの光束を合成する第１のダイクロイックミラー５を、コンデンサーレンズ９Ａ、９Ｂの通過後に配置する場合を示す。すなわちこの場合、固体光源１からの光束は、集光レンズ４、第１及び第２フライアイレンズ６Ａ及び７Ａ、偏光ビームスプリッター８Ａ、コンデンサーレンズ９Ａを通過後に第１のダイクロイックミラー５に入射される。放電ランプ２からの光束は、第１及び第２フライアイレンズ６Ｂ及び７Ｂ、偏光ビームスプリッター８Ｂ、コンデンサーレンズ９Ｂを通過後に第１のダイクロイックミラー５に入射される。
このような構成において、上述の第１の実施形態例と同様に、第１及び第２のダイクロイックミラー５及び１２の透過波長を適切に選定することによって、これら第１及び第２のダイクロイックミラー５及び１２を調整部５４Ａ、５４Ｂとして機能させ、放電ランプ２から出射される光の赤色帯域の光を調整することによって、赤色表示時の色度点ｘ＞０．６８を達成し、画像投影装置５０の広色域化を図ることが可能である。

そしてこの場合は、第１フライアイ６Ａ、６Ｂとコンデンサーレンズ９Ａ、９Ｂとの距離をある程度保つ配置となるが、その分レーザダイオード等の固体光源１と放電ランプ２との間隔を十分とることができ、熱設計は分離して行うことができる。したがって、固体光源１と放電ランプ２をそれぞれ適切な温度に保持することが容易となり、固体光源１及び放電ランプ２の特性を良好に保持することができる。

またこの場合においても、放電ランプ２と光合成部５５、図示の例においては第１のダイクロイックミラー５とを一体化し、かつこの光合成部５５に至る光路上の光学部品の少なくとも一部、図示の例では第１及び第２フライアイレンズ６Ｂ及び７Ｂ、偏光ビームスプリッター８Ｂ、コンデンサーレンズ９Ｂとも一体に構成する。そして、これら一体化された放電ランプ部６０を交換可能として構成する。また、固体光源１と集光レンズ４とを一体化した構成とし、これらを固体光源部６１として示す。
このように、光学的な調整が比較的煩雑な放電ランプ２と光合成部５５、そしてこの光合成部５５に至る光路上の光学部品とを一体に構成し、交換可能とすることによって、放電ランプ２の劣化による交換作業を非常に簡易化することができる。
また、位置精度の厳しい固体光源１と集光レンズ４とを予め一体に構成することにより、画像投影装置５０の組み立て工程が簡易化されるとともに、この固体光源部６１を交換可能な構成とすることによって、装置の寿命の長期化を図り、また交換作業の簡易化が図られる。

更に、上述の例と同様に、放電ランプ部６０と固体光源部６１とを、交換可能な光源部６２として構成することによって、光源５１の少なくとも一方の動作特性が劣化するなどの不具合が生じた場合においてもその交換作業が容易となり、比較的簡単なメンテナンスによって、画像投影装置５０全体の寿命の長期化を図ることができる。

また、この例においては、第１のダイクロイックミラー５を透過した光の光路上に、光検出部６３を設ける構成とするものである。
前述したように、固体光源１と放電ランプ２とは寿命が異なるため、そのまま動作させ続けると色彩のアンバランスが生じる。一般に超高圧水銀ランプは調光が難しくその輝度を変化させて使うことは、その寿命にも影響する。一方、例えばレーザダイオードはその輝度を変化させることが容易であり、寿命への影響も皆無である。
したがって、本実施形態例におけるように、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ２から出射される光のダイクロイックミラー５を透過した成分、例えば赤色光を光検出器６３によって検出してモニターし、その出力を制御部６４に矢印Ｓ１で示すように入力する。制御部６４において、光検出器６３において検出された出力の大きさに応じて赤色レーザダイオード等より成る固体光源１の出力を矢印Ｓ２で示すように制御する構成とすることによって、投影画像の色彩を長時間にわたって維持することが可能となる。光を検出する位置は、図示された位置に限らず、放電ランプ２から出射される光を検出できる位置であればどこでもよい。しかしながら、この場合、第１のダイクロイックミラー５を透過した光は画像投影に寄与しない光であるため、光源からの光を有効に利用することができるという利点を有する。

〔３〕第３の実施形態例
次に、本発明による画像投影装置の第３の実施形態例について図４を参照して説明する。図４において、図３と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
図４に示す例においては、上述の第３の実施形態例と同様に、各光源１及び２からコンデンサーレンズ９Ａ、９Ｂまでの光学部品を分離する構成とするもので、光合成部５５、すなわちこの場合第１のダイクロイックミラー５を、コンデンサーレンズ９Ａ、９Ｂの出射側に配置するものである。
この場合においても、上述の各実施形態例と同様に、第１及び第２のダイクロイックミラー５及び１２の透過波長を適切に選定することによって、これら第１及び第２のダイクロイックミラー５及び１２を調整部５４Ａ、５４Ｂとして機能させ、放電ランプ２から出射される光の赤色帯域の光を調整することによって、赤色表示時の色度点ｘ＞０．６８を達成し、画像投影装置５０の広色域化を図ることが可能である。

またこの例においても、固体光源１と放電ランプ２との間隔を十分とることができ、熱設計を分離して行うことができ、固体光源１と放電ランプ２をそれぞれ適切な温度に保持することが容易となり、固体光源１及び放電ランプ２の特性を良好に保持することができる。

更に、放電ランプ２と光合成部５５、すなわち図示の例では第１のダイクロイックミラー５とを一体化し、かつこの光合成部５５に至る光路上の光学部品の少なくとも一部、すなわち第１及び第２フライアイレンズ６Ｂ及び７Ｂ、偏光ビームスプリッター８Ｂ、コンデンサーレンズ９Ｂとも一体に構成するとともに、これらの一体化された放電ランプ部６０を交換可能として構成することによって、放電ランプ２の劣化による交換作業を非常に簡易化することができる。
また、固体光源１と集光レンズ４とを一体に構成することにより、画像投影装置５０の組み立て工程が簡易化されるとともに、この固体光源部６１を交換可能な構成とすることによって、装置全体の寿命の長期化を図り、また交換作業の簡易化が図られる。
また更に、上述の例と同様に、放電ランプ部６０と固体光源部６１とを、交換可能な光源部６２として構成することによって、光源５１の少なくとも一方の動作特性が劣化するなどの不具合が生じた場合においてもその交換作業が容易となり、比較的簡単なメンテナンスによって、画像投影装置５０体の寿命の長期化を図ることができる。

そして、この例においては、第１のダイクロイックミラー５を透過した光の光路上に、光電変換部６５を設ける構成とするものである。
このように、光電変換部６５を配置することにより、第１のダイクロイックミラー５から透過され、画像投影に寄与しない光を利用することが可能となるため、エネルギーの再利用が可能となる。図示の例においては、光電変換部６５からの出力を、例えば矢印ｅで示すように、排熱部６６に出力する。排熱部６６としては、ファンや冷却素子等を用いることができる。排熱部６６の例えばファンによって、矢印ｆで示すように、レーザダイオード等より成る固体光源１に送風するなどの排熱を行うことにより、固体光源１の温度調整機能を持たせることが可能となる。

なお、上述の第２及び第３の実施形態例において、液晶パネルが要求する偏光方向に予めレーザダイオード等の固体光源１から出射される光の偏光方向を揃えておく場合は、固体光源１側の光路から、偏光ビームスプリッター８Ａを省略することも可能である。これにより、部品点数を低減化することができる。

〔４〕第４の実施形態例
次に、光変調部として、反射型の液晶パネルを用いた本発明の画像投影装置の一実施形態例を説明する。
図５においては第４の実施形態例による画像投影装置の一例の概略構成図を示し、図５において、図１と対応する部分には同一符号を付して示す。
この例においても、光源５１としては、赤色半導体レーザダイオード等より成る固体光源１と放電ランプ２とを用いる。固体光源１の出射側の光軸上には、コリメートレンズ４、第１フライアイレンズ６Ａ、第２フライアイレンズ７Ａ、コンデンサーレンズ９Ａを介して、第１のダイクロイックミラー３１が配置される。
放電ランプ２は、その出射光の光軸が固体光源１の出射光の光軸とほぼ平行となるように配置される。放電ランプ２の出射側には、第１フライアイレンズ６Ｂ、第２フライアイレンズ７Ｂ、偏光ビームスプリッター８、コンデンサーレンズ９Ｂを介して赤色帯域の光を分離して反射する第２のダイクロイックミラー３２と、青色光、緑色光を反射するダイクロイックミラー３３とが合成されて配置される。

そしてこの場合においても、第１及び第２のダイクロイックミラー３１及び３２が、放電ランプ２からの赤色帯域の光の光量を調整する調整部５４Ａ、５４Ｂとされる。また、第１のダイクロイックミラー３１は、第２のダイクロイックミラー３２により反射された光を、固体光源１から出射された光と合成する光合成部５５の機能を有する。
第１のダイクロイックミラー３１の光出射側には、赤色光用フィールドレンズ、偏光分離素子２３Ｒが配置され、偏光分離素子２３Ｒにより光路を例えば９０°変換された光軸上に赤色光に対応する反射型の液晶パネル１８Ｒが配置される。

また、放電ランプ２の出射側に配置されるダイクロイックミラー３３の反射側に、光軸を例えば９０°変換された位置にミラー１１が配置され、このミラー１１により例えば９０°光路を変換された位置に例えば緑色光を反射するダイクロイックミラー３４が配置される。このダイクロイックミラー３４の反射側にはフィールドレンズ１７Ｇを介して偏光分離素子２３Ｇが配置され、偏光分離素子２３Ｇにより光路を例えば９０°変換された位置に緑色光に対応する液晶パネル１８Ｇが配置される。
また、ダイクロイックミラー３４の透過側にフィールドレンズ１７Ｂを介して偏光分離素子２３Ｂが配置され、偏光分離素子２３Ｂにより光路を例えば９０°変換された位置に、青色光に対応する反射型の液晶パネル１８Ｂが配置される。これら液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ及び１８Ｂによって、画像情報に対応して光を変調する光変調部５２が構成される。
各液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ及び１８Ｂが反射された光の光軸上の偏光分離素子２３Ｒ、２３Ｇ及び２３Ｂを介した位置にクロスプリズム１９が配置され、その出射側に投影レンズ２０等が配置されて投影光学部５３が構成される。

この場合においても、固体光源１の例えば赤色レーザダイオードとしては、例えば発振波長が６４５ｎｍ近傍、半値全幅が１．５ｎｍ程度のものを用いることができる。第２の光源として用いる放電ランプ２としては、前述の各実施形態例と同様に、超高圧水銀ランプが利用可能である。

このような構成において、第１光源である固体光源１から出射された光束は、コリメートレンズ４によりほぼ平行光となり、第１及び第２フライアイレンズ６Ａ及び７Ａにより光束の空間分布を均一化され、コンデンサーレンズ９Ａにより集光されて、第１のダイクロイックミラー３１に入射し、この第１のダイクロイックミラー３１ではその大部分が透過する。第２光源である超高圧水銀ランプ等の放電ランプ２から出射された光束は、同様にリフレクター３によりほぼ平行光となり、第１及び第２フライアイレンズ６Ｂ及び７Ｂにより光束の空間分布を均一化され、偏光ビームスプリッター８により偏光方向をそろえられ、コンデンサーレンズ９Ｂにより集光されて第２のダイクロイックミラー３１に入射する。この第２のダイクロイックミラー３２において、特定の波長帯域の光が透過され、残りの光が反射されて、第１のダイクロイックミラー３１に入射される。

ここで、第１のダイクロイックミラー３１は、上述したように固体光源１から出射される光に対しては、その大部分を透過し、一方、第２のダイクロイックミラー３２から反射されてこの第１のダイクロイックミラー３１に入射した光は、特定の波長帯域の光を反射して、残りの光を透過するように調整する。
例えば、第１のダイクロイックミラー３１は、例えば分離波長を５７５ｎｍとし、これより長波長側の光を透過させ、短波長側の光を反射する構成とする。つまりこの場合、固体光源１側の面においては、赤色レーザダイオード等の６４５ｎｍ近傍の光を透過させ、第２のダイクロイックミラー３２と対向する側の面においては、５７５ｎｍ程度以上の波長の光を反射する特性とする。
また、第２のダイクロイックミラー３２においては、例えば分離波長を５７０ｎｍ程度とし、５７０ｎｍ程度以上の赤色光を反射する構成とする。
このように、調整部５４Ａ、５４Ｂを構成する第１及び第２のダイクロイックミラー３１及び３２の透過ないしは反射波長特性、すなわち分離波長を適宜選定することによって、最終的に赤色光に対応する光変調部に達する赤色帯域の光の放電ランプ２から出射される光の光量を良好に調整することができる。

そして、上述したように光量を調整された赤色光は、赤色光を変調するフィールドレンズ１７Ｒ、偏光分離素子２３Ｒを介して液晶パネル１７Ｒによって、画像情報に対応して変調される。
一方、放電ランプ２から出射される光のうち緑色光、青色光は、ダイクロイックミラー３３により反射され、ミラー１１により反射されてダイクロイックミラー３４により各色光が分離されて、それぞれ緑色光、青色光を変調するフィールドレンズ１７Ｇ及び１７Ｂ、偏光分離素子２３Ｇ及び２３Ｂを介して液晶パネル１８Ｇ、１８Ｂにより画像情報に対応して変調される。変調された各色光がクロスプリズム１９において合成され、投影レンズ２０等より成る投影光学部５３で例えばスクリーン（図示せず）に投影される。

本実施形態例においても、上述したように、第１及び第２のダイクロイックミラー３１及び３２の分離特性を選定して構成することによって、上述の第２の実施形態例と同様に、赤色の色度点としてｘ＞０．６８を実現することができた。
また、この場合においては、放電ランプの赤色帯域の光の光量比は、３％程度であった。

また、この第４の実施形態例は、固体光源１及び放電ランプ２からの出射光はそれぞれその光軸上に第１及び第２フライアイレンズ、コンデンサーレンズを配置し、これらの光学系を別個に構成した例である。
したがって、この例においては、第１及び第２フライアイレンズ、コンデンサーレンズを光源毎に別個に配置することによって、各光源の距離を十分取ることができるので、熱設計は分離して行うことができる。

そして、本実施形態例においては、放電ランプ２と、放電ランプ２から出射される光を合成する光合成部５５、この場合第１のダイクロイックミラー３１に至る光路上の光学部品の少なくとも一部、すなわち第１及び第２フライアイレンズ６Ｂ及び７Ｂ、偏光ビームスプリッター８Ｂ、コンデンサーレンズ９Ｂとを一体に構成して放電ランプ部６０とし、この放電ランプ部６０を交換可能とすることによって、上述の各例と同様に、放電ランプの交換作業を極めて簡易化し、比較的容易なメンテナンスによって、画像投影装置の寿命の長期化を図ることができる。
またこの場合においても、例えば固体光源１からコンデンサーレンズ９Ａに至る光路上の各光学部品と放電ランプ部６０より成る光源部６２とを交換可能な構成とすることによって、上述の各例と同様に、安定した特性をもって長期の使用が可能となり、装置全体の寿命の長期化を図ることができるという利点を有する。

なお、この例においても、図示しないが放電ランプ２から出射された光のうち、第１のダイクロイックミラー３１を透過する光の光路上に、光検出部もしくは光電変換部を設けることによって、上述の第２又は第３の実施形態例と同様に、放電ランプ２から出射される光の変動を検出して、例えばレーザダイオードより成る固体光源１の出力を制御することができる。或いは、光電変換部からの出力を例えば固体光源１の温度調整に利用することによって、画像投影に寄与しない光を利用して光の利用効率を向上することができる。

なお、上述の例においては、例えばレーザダイオードより成る固体光源１からの出射光の偏光方向を、液晶パネルが要求する偏光方向に揃えておくことによって、固体光源１側の光路から、偏光ビームスプリッターを省略した場合を示す。これにより、部品点数を低減化することができる。しかしながら、必要に応じて、第２フライアイレンズ７Ａとコンデンサーレンズ９Ａとの間に偏光ビームスプリッターを配置してもよい。

また、放電ランプ２と一体に構成する光学部品は、上述の各例に限定されるものではなく、例えば第１フライアイレンズまでを固体光源と放電ランプとで個別に配置し、第１フライアイレンズから出射された光が光合成部に入射されて合成される配置とすることもでき、この場合に放電ランプと第１フライアイレンズとを一体に構成するなど、上述の各実施形態例に限定されることなく、その他種々の構成とすることが可能である。

以上説明したように、本発明においては、放電ランプと、この放電ランプから出射された光と固体光源から出射された光を合成する光合成部とを一体化するか、或いは、この光合成部に至る光路上の光学部品の少なくとも一部と放電ランプを一体に構成し、これらを交換可能とすることによって、放電ランプの交換作業を極めて簡易化することができる。
また、本発明の画像投影装置において、放電ランプの例えば超高圧水銀ランプから出射されて液晶パネル等の光変調部に到達する例えば赤色帯域の光の光量を調整するダイクロイックミラー等の調整部を設けることによって、従来は赤色帯域の特に深い色を実現するのが困難であった画像投影装置において、広色域化を図ることが可能となる。
また、固体光源を集光レンズと一体化し、またこれらを交換可能とすることによって、画像投影装置の寿命の長期化を図ることができ、画像投影装置の寿命の長期化を図ることができる。

なお、本発明の画像投影装置及び画像投影方法は、上述の各実施形態例に限定されるものではなく、光源の構成、各光学部品の種類、また光源と各光学部品の配置構成等において種々の変更が可能であり、また光変調部としては、透過型及び反射型の液晶パネルに限定されるものではなく、ＤＭＤなどの反射型光変調素子など、種々の光変調部を利用することができる。
更に、本発明は、固体光源と放電ランプを光源とする画像投影装置において、ダイクロイックミラーなどの調整部を設けることなく、固体光源と放電ランプとの各出射光を重畳して画像投影を行う場合においても、適用可能であることはいうまでもない。

本発明の画像投影装置の一実施形態例の概略構成図である。 本発明の画像投影装置の一実施形態例の光変調部に入射する光束のスペクトルを示す図である。 本発明の画像投影装置の一実施形態例の概略構成図である。 本発明の画像投影装置の一実施形態例の概略構成図である。 本発明の画像投影装置の一実施形態例の概略構成図である。 放電ランプの一例のスペクトルを示す図である。 放電ランプの一例のカラーフィルタ通過後のスペクトルを示す図である。

符号の説明

１．固体光源、２．放電ランプ、３．リフレクター、４．コリメートレンズ、５．第１のダイクロイックミラー、６．第１フライアイレンズ、７．第２フライアイレンズ、８．偏光ビームスプリッター、９．コンデンサーレンズ、１０．ダイクロイックミラー、１１．ミラー、１２．第２のダイクロイックミラー、１３．ミラー、１４．ミラー、１５．レンズ、１６．レンズ、１７Ｒ．フィールドレンズ、１７Ｇ．フィールドレンズ、１７Ｂ．フィールドレンズ、１８Ｒ．液晶パネル、１８Ｇ．液晶パネル、１８Ｂ．液晶パネル、１９．クロスプリズム、２０．投影レンズ、３１．第１のダイクロイックミラー、３２．第２のダイクロイックミラー、３３．第３のダイクロイックミラー、５０．画像投影装置、５１．光源、５２．光変調部、５３．投影光学部、５４Ａ．調整部、５４Ｂ．調整部、５５．光合成部、６０．放電ランプ部、６１．固体光源部、６２．光源部、６３．光検出部、６４．制御部、６５．光電変換部、６６．排熱部

Claims (9)

1. 光源と、上記光源からの光を情報に対応して変調する光変調部と、上記光変調部から出射される光を投影する投影光学部とを少なくとも有する画像投影装置であって、
   上記光源は、固体光源と、放電ランプとより成り、
   上記放電ランプが、該放電ランプから出射される光と上記固体光源から出射される光とを合成する光合成部と一体に構成するか、或いは、上記放電ランプが、上記光合成部に至る光路上の光学部品の少なくとも一部と一体に構成され、交換可能とされて成る
   ことを特徴とする画像投影装置。
2. 上記放電ランプから出射され光変調部に到達する光の光量が調整される調整部が設けられて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
3. 上記固体光源と、該固体光源から出射される光を整形する集光レンズとが一体化されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
4. 上記集光レンズと一体化された上記固体光源が、交換可能とされて成る
   ことを特徴とする請求項３記載の画像投影装置。
5. 上記放電ランプから出射される光のうち一部の光の光量を検出する光検出部が設けられて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
6. 上記光検出部から検出された光量によって、上記固体光源の出射光の出力を調整する制御部が設けられて成る
   ことを特徴とする請求項５記載の画像投影装置。
7. 上記放電ランプから出射される光のうち一部の光を受光する光電変換部が設けられて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
8. 上記光電変換部からの電力が、上記固体光源の温度を調整する排熱部に入力される構成とされた
   ことを特徴とする請求項７記載の画像投影装置。
9. 光源を、固体光源と、放電ランプとより構成し、
   上記放電ランプから出射される光の光量を調整して上記固体光源から出射される光に重畳し、光変調部により変調して画像を投影する画像投影方法であって、
   上記放電ランプを、該放電ランプから出射される光と上記固体光源から出射される光とを合成する光合成部と一体に構成されるか、或いは、上記放電ランプを、上記光合成部に至る光路上の光学部品の少なくとも一部と一体に構成し、交換可能とする
   ことを特徴とする画像投影方法。

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