JP2007114686A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 照度ムラの発生を低減することができ、高いコントラストを実現することができるプロジェクタを提供すること。
【解決手段】 第２ブラックマトリックスＢＭ２が第１ブラックマトリックスＢＭ１を包含して余りある状態となっており、前段の液晶パネル４２ａと後段の液晶パネル７２ｒとが正確に位置合わせされず、第１及び第２ブラックマトリックスＢＭ１，ＢＭ２が正確に位置合わせされていない場合であっても、第２ブラックマトリックスＢＭ２が相対的に広がっていることから、第１ブラックマトリックスＢＭ１の投影像が第２ブラックマトリックスＢＭ２からはみ出すことを防止できる。よって、両ブラックマトリックスＢＭ１，ＢＭ２の位置ずれや投影誤差に起因する光量損失を低減して各画素をロス無く投射することができ、投射画像に照度ムラが発生することを防止できる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、画像のコントラストを向上させるため、画像形成用の液晶パネルとは別に輝度調整用の液晶パネルを備えるプロジェクタに関する。

従来のプロジェクタとして、ＲＧＢの三色の光路上に配置された各色用液晶パネルの透過率を変調するとともに、分光された光を合成した後の光路上に設けた高精細液晶パネルの透過率を変調し、カラー画像表示時には、高精度液晶パネルから射出する各成分の光の透過率をＲ，Ｇ，Ｂの逆γ補正値に比例させるものが存在する（特許文献１参照）。

同様のプロジェクタとして、映像表示液晶パネルと、照度表示液晶パネルとを備えるもの（特許文献２参照）、各色用の第１〜第３の光変調器と、合成光用の光変調器とを備えるもの（特許文献３参照）、第１の光変調器と、第２の光変調器とを備えるもの（特許文献４参照）が存在する。

また、別のプロジェクタとして、ＲＧＢの各色用液晶パネルとこれらを照明する光源との間に照明光を空間的に分割して照明光量を調整するための光変調器を設けたものも存在する（特許文献５参照）。
特開平６−１６７６９０号公報 特開平９−１１６８４０号公報 欧州特許公開第ＥＰ１４２７２２１号公報 米国特許第５９８７１４２号公報 特開２００１−１００６８９号公報

しかし、各色用液晶パネルと高精細液晶パネルとを用いる前者のタイプのプロジェクタでは、実際の組立において両液晶パネルのブラックマトリックス同士が多少位置ずれすることを避けることができず、画像が局所的に暗くなる照度ムラが発生し、ひどくなると画像中にモアレ縞が観察される可能性もある。

また、照明光量を調整するための光変調器を設けた後者のタイプのプロジェクタでは、画面を例えば４領域に分割して各領域単位で輝度調整を行うので、コントラストの改善に限界があり、各領域の境界を目立たないようにすることが容易でない。

そこで、本発明は、照度ムラの発生を低減することができ、高いコントラストを実現することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクタは、（ａ）光源を含む照明装置と、（ｂ）照明装置からの光を画像情報に応じて変調する第１光変調領域と、当該第１光変調領域を仕切るように形成されて照明装置からの光を遮光する第１ブラックマトリックスとを有する第１液晶ライトバルブと、（ｃ）第１液晶ライトバルブで変調された変調光を一旦結像させるリレーレンズ系と、（ｄ）リレーレンズ系によって結像された像光を画像情報に応じて変調する第２光変調領域と、当該第２光変調領域を仕切るように形成されてリレーレンズ系からの像光を遮光する第２ブラックマトリックスとを有する第２液晶ライトバルブと、（ｅ）第２液晶ライトバルブで変調された変調光を像光として投射する投射光学系とを備える。そして、第１液晶ライトバルブの第１ブラックマトリックスの形状と、第２液晶ライトバルブの第２ブラックマトリックスの形状とは、リレーレンズ系によって第２液晶ライトバルブに投影される第１ブラックマトリックスの投影像の領域と、第２ブラックマトリックスの領域とのいずれか一方が他方を包含して余りある状態とできるものである。

上記プロジェクタでは、第１液晶ライトバルブと第２液晶ライトバルブとをリレーレンズ系を介して２段で設置することによって、高いコントラストの画像を投射することができる。また、上記プロジェクタでは、第１及び第２ブラックマトリックスの形状の設定により、第２液晶ライトバルブに投影される第１ブラックマトリックスの投影像の領域と、第２ブラックマトリックスの領域とのいずれか一方が他方を包含して余りある状態とできるので、第１及び第２液晶ライトバルブすなわち第１及び第２ブラックマトリックスが互いに正確に位置決めされていない場合や第１液晶ライトバルブが歪んで投影されている場合にも、他方のブラックマトリックスが一方のブラックマトリックスに包含された状態を確保でき当該一方のブラックマトリックスからはみ出すような投射が回避される。よって、両ブラックマトリックスの位置ずれに起因する光量損失を低減して各画素をロス無く投射することができるので、投射画像に照度ムラが発生することを防止できる。

本発明の具体的な態様では、上記プロジェクタにおいて、リレーレンズ系が、縮小光学系であり、第２ブラックマトリックスの領域が、第１ブラックマトリックスのリレーレンズ系による投影像の領域からはみ出すように当該投射像の領域を包含する。この場合、第１液晶ライトバルブのサイズが第２液晶ライトバルブのサイズよりも大きくなり、第１ブラックマトリックスの幅等のサイズは、第２ブラックマトリックスの幅等のサイズよりも一般的に小さくなるので、第２ブラックマトリックスの輪郭内に第１ブラックマトリックスを無駄なく簡単に納めることができる。

本発明の別の態様では、第１液晶ライトバルブが、輝度変調用の液晶パネルを含み、第２液晶ライトバルブが、画像情報変調用の液晶パネルを含む。この場合、画像情報変調用の液晶パネルを小型化してそのコスト低減を図ることができる。

本発明のさらに別の態様では、輝度変調用の液晶パネルが、マイクロレンズアレイを有しないタイプの装置である。この場合、前段に配置される第１液晶ライトバルブすなわち輝度変調用の液晶パネルからの射出光の広がり角を比較的小さくすることができるので、リレーレンズ系の開口数を比較的小さくすることができ、リレーレンズ系の結像精度を簡易に高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、第１液晶ライトバルブの有効領域における第１光変調領域の全割合に対応する開口率が、第２液晶ライトバルブの有効領域における第２光変調領域の全割合に対応する開口率よりも大きい。この場合、第２液晶ライトバルブの開口率が基準となって照明光を利用することができる。

本発明のさらに別の態様では、第２液晶ライトバルブが、複数の色光を個別に変調する複数の各色用液晶ライトバルブを含み、第１液晶ライトバルブ照明装置からの光を各色光に分離して各色用液晶ライトバルブに供給する色分離光学系と、各色用液晶ライトバルブで変調された各色の変調光を合成する光合成光学系とをさらに備え、第１液晶ライトバルブから各色用液晶ライトバルブまでの光路の長さがすべて等しいか、又は、第１液晶ライトバルブから各色用液晶ライトバルブのうち少なくとも２つまでの光路の長さが等しく、各色用液晶ライトバルブのうち残った少なくとも１つまでの延長光路上に前記リレーレンズによって形成される像の正立かつ当倍像を投影する転写レンズ系を有する。この場合、複数の各色用液晶ライトバルブを第１液晶ライトバルブに対して小型化することができ、効果的なコスト低減を達成できる。しかも、第１液晶ライトバルブから各色用液晶ライトバルブまでの光路の実効長さをすべて等しくし、或いは各色用液晶ライトバルブのうち残った少なくとも１つまでの延長光路上に前記リレーレンズによって形成される像の正立かつ当倍像を投影する転写レンズ系を有するものとできるので、第１液晶ライトバルブの像を各色用液晶ライトバルブ上に倍率を一致させて正立系で投射することができる。

本発明のさらに別の態様では、リレーレンズ系が、拡大光学系であり、第１ブラックマトリックスのリレーレンズ系による投影像の領域が、第２ブラックマトリックスの領域からはみ出すように当該領域を包含する。この場合、第２液晶ライトバルブサイズが第１液晶ライトバルブのサイズよりも大きくなり、第２ブラックマトリックスの幅等のサイズは、第１ブラックマトリックスの幅等のサイズよりも一般的に小さくなるので、第１ブラックマトリックスの像の輪郭内に第２ブラックマトリックスを無駄なく簡単に納めることができる。

本発明のさらに別の態様では、第１液晶ライトバルブが、画像情報変調用の液晶パネルを含み、第２液晶ライトバルブが、輝度変調用の液晶パネルを含む。この場合、画像情報変調用の液晶パネルを小型化してそのコスト低減を図ることができる。

本発明のさらに別の態様では、第１液晶ライトバルブの画素数と、第２液晶ライトバルブの画素数とが等しい。この場合、第１液晶ライトバルブと第２液晶ライトバルブとを画素単位で一致させることができ、高いコントラストと解像度とを達成することができる。

本発明のさらに別の態様では、第１液晶ライトバルブの第１光変調領域の外形に対応する有効領域の形状と、第２液晶ライトバルブの第２光変調領域の外形に対応する有効領域の形状とは相似関係を有する。この場合、第１液晶ライトバルブと第２液晶ライトバルブとを輪郭に関して一致させることができ、無駄なく画像を投射することができる。

本発明のさらに別の態様では、リレーレンズ系が、両側テレセントリックな投影光学系である。この場合、第１及び第２液晶ライトバルブについて光軸方向に関する十分な位置ずれ許容度を持たせつつ、第１液晶ライトバルブの像を第２液晶ライトバルブ上に所望の倍率で正確に投射することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るプロジェクタ１０の光学系を示す模式図である。このプロジェクタ１０は、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成し、この光学像をスクリーン上に拡大投射するための光学機器であり、光源ランプユニット２０、均一照明光学系３０、第１光変調部４０、色分離投射装置５０、第２光変調部７０、クロスダイクロイックプリズム８０、及び投射光学系９０を備えて構成される。

光源ランプユニット２０は、光源ランプ２１から周囲に放射された光束を集めて射出し、均一照明光学系３０を介して第１光変調部４０を照明するための光源であり、発光管である光源ランプ２１と、光源ランプ２１から射出された光源光を反射する楕円の凹面鏡２２と、凹面鏡２２で反射された光源光をコリメートする凹レンズ２３とを備える。この光源ランプユニット２０において、光源ランプ２１から射出された光源光は、凹面鏡２２及び凹レンズ２３を通過し平行光束として均一照明光学系３０側に射出される。なお、上述した楕円の凹面鏡２２に代えて放物面等の各種凹面鏡を用いることができ、放物面鏡を用いた場合、上述の凹レンズ２３は不要となる。

均一照明光学系３０は、光源ランプユニット２０から射出された光束を複数の部分光束に分割し、これら複数の光束を対象とする照明領域に重畳して入射させ、この照明領域の面内照度を均一化するための光学系であり、光源ランプユニット２０と協働して均一な照明光を発生するための照明装置として機能する。均一照明光学系３０は、第１レンズアレイ３１、第２レンズアレイ３２、偏光変換部材３４、及びコンデンサレンズ３５を備えている。

第１レンズアレイ３１は、光源ランプユニット２０からの光束を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子としての機能を有し、システム光軸ＯＡと直交する面内にマトリックス状に配列される複数の小レンズを備えて構成される。各小レンズの輪郭形状は、後述する第１光変調部４０を構成する液晶パネル４２ａの画像形成領域（有効領域）の形状とほぼ相似形をなすように設定されている。第２レンズアレイ３２は、前述した第１レンズアレイ３１により分割された複数の部分光束を集光する光学素子であり、第１レンズアレイ３１と同様にシステム光軸ＯＡに直交する面内にマトリックス状に配列される複数の小レンズを備えているが、集光を目的としているため、各小レンズの輪郭形状が上記液晶パネル４２ａの画像形成領域の形状と対応している必要はない。

偏光変換部材３４は、ＰＢＳアレイで形成されており、第１レンズアレイ３１により分割された各部分光束の偏光方向を一方向の直線偏光に揃える役割を有する。この偏光変換部材３４は、詳細な図示を省略しているが、システム光軸ＯＡに対して傾斜配置される偏光分離膜及び反射ミラーを交互に配列した構成を具備する。前者の偏光分離膜は、各部分光束に含まれるＰ偏光光束及びＳ偏光光束のうち、一方の偏光光束を透過し、他方の偏光光束を反射する。反射された他方の偏光光束は、後者の反射ミラーによって曲折され、一方の偏光光束の射出方向、すなわちシステム光軸ＯＡに沿った方向に射出される。射出された偏光光束のいずれかは、偏光変換部材３４の光束射出面にストライプ状に設けられる位相差板によって偏光変換され、すべての偏光光束の偏光方向が揃えられる。このような偏光変換部材３４を用いることにより、光源ランプ２１から射出される光束を、一方向の偏光光束に揃えることができるため、第１光変調部４０で利用する光源光の利用率を向上させることができる。

コンデンサレンズ３５は、第１レンズアレイ３１、第２レンズアレイ３２、及び偏光変換部材３４を経た複数の部分光束を集光して第１光変調部４０に設けた液晶パネル４２ａの画像形成領域（有効領域）上に重畳させつつ入射させるための重畳光学素子である。つまり、コンデンサレンズ３５によって、第１レンズアレイ３１によって分割された各部分光束を、液晶パネル４２ａ上にずれなく重ね合わせて入射させることができ、液晶パネル４２ａの均一な照明が可能になる。

第１光変調部４０は、均一照明光学系３０を経て均一化された照明光をシステム光軸ＯＡに垂直な面内で空間的に輝度変調するためのものである。第１光変調部４０は、入射レンズ４１、液晶パネル（液晶表示パネル）４２ａ、偏光フィルタ４３ｂ，４３ｂ、及び射出レンズ４４を備え、第１光変調装置として機能する。ここで、液晶パネル４２ａと、これを挟む一対の偏光フィルタ４３ｂ，４３ｂとは、照明光を画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための液晶ライトバルブを構成する。

この第１光変調部４０において、均一照明光学系３０側から入射した照明光は、入射レンズ４１を介して輝度変調用の液晶パネル４２ａ内の画像形成領域を照明する。液晶パネル４２ａは、一対の透明なガラス基板間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に従って、入射した偏光光束の偏光方向を変調する。つまり、液晶パネル４２ａは、入射した照明光の偏光方向の空間的分布を変化させるための非発光で透過型の光変調装置であり、液晶パネル４２ａに入射した照明光は、この液晶パネル４２ａに電気的信号として入力された駆動信号或いは制御信号に応じて、画素単位で偏光状態が調整される。その際、偏光フィルタ４３ｂ，４３ｂによって、液晶パネル４２ａに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、液晶パネル４２ａから射出される光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。つまり、第１光変調部４０によって、均一な照明光が画素単位で減光され、画像情報に対応する２次元的分布で輝度変調が達成される。

なお、入射レンズ４１は、均一照明光学系３０からの部分光束が液晶パネル４２ａに入射する角度を調整するためのものであり、射出レンズ４４は、液晶パネル４２ａ等からの変調光の射出角度を調整するためのものである。入射レンズ４１と射出レンズ４４は、どちらか一方または両方とも省略することも可能であるが、その場合、光束が拡散し後続のリレーレンズ６１，６２を非常に大きくする必要があるため、少なくとも何れ一方を備えるのが好ましい。

色分離投射装置５０は、第１光変調部４０を経て輝度変調された像光を各色光に分離して第２光変調部７０に投影するためのものであり、第１及び第２ダイクロイックミラー５１ａ，５１ｂ、反射ミラー５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ、両面ミラー５４，フィールドレンズ５５ｒ，５５ｂ，５５ｇ、及びリレーレンズ６１，６２を備える。

これらのうち、第１及び第２ダイクロイックミラー５１ａ，５１ｂを含んで構成される色分離光学系は、第１光変調部４０によって輝度変調された像光を、青（Ｂ）色光、緑（Ｇ）色光、及び赤（Ｒ）色光の３つの像光に分離する。各ダイクロイックミラー５１ａ，５１ｂは、透明基板上に、所定の波長領域の光束を反射し他の波長領域の光束を透過する波長選択作用を有する誘電体多層膜を形成することによって得た光学素子であり、システム光軸ＯＡに対してともに傾斜した状態で配置される。第１ダイクロイックミラー５１ａは、モノクロの像光から青色成分である青色光ＬＢを反射分岐し、残った緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとを透過させる。また、第２ダイクロイックミラー５１ｂは、第１ダイクロイックミラー５１ａを通過して反射ミラー５３ａ及びリレーレンズ６１を経た像光のうち緑色成分である緑色光ＬＧを反射し、赤色成分である赤色光ＬＲを透過させる。

この色分離投射装置５０において、均一照明光学系３０から第１光変調部４０を経て入射した輝度変調後の像光は、まず第１ダイクロイックミラー５１ａに入射する。像光のうち赤色光ＬＲは、第１光路ＯＰ１に導かれるべきものであり、第１ダイクロイックミラー５１ａを透過し、反射ミラー５３ａ及びリレーレンズ６１を経て第２ダイクロイックミラー５１ｂを透過し、反射ミラー５３ｂを経て最終段のフィールドレンズ５５ｒに入射する。また、像光のうち緑色光ＬＧは、第２光路ＯＰ２に導かれるべきものであり、第１ダイクロイックミラー５１ａを透過し、反射ミラー５３ａ及びリレーレンズ６１を経て第２ダイクロイックミラー５１ｂで反射され、両面ミラー５４を経て最終段のフィールドレンズ５５ｇに入射する。さらに、像光のうち青色光ＬＢは、第３光路ＯＰ３に導かれるべきものであり、第１ダイクロイックミラー５１ａで反射され、両面ミラー５４、リレーレンズ６２及び反射ミラー５３ｃ，５３ｄを経て最終段のフィールドレンズ５５ｂに入射する。

ここで、赤色用の第１光路ＯＰ１と、緑色用の第２光路ＯＰ２と、青色用の第３光路ＯＰ３とは、互いに光路の実効長さが等しい等価系となっている。具体的に説明すると、第１光変調部４０で輝度変調された像光のうち赤色成分は、第１光路ＯＰ１において、リレーレンズ６１によって所定の縮小倍率で後述する第２光変調部７０に設けた画像情報変調用の液晶パネル７２ｒ内の画像形成領域に投影される。同様に、第１光変調部４０で輝度変調された像光のうち緑色成分は、第２光路ＯＰ２において、リレーレンズ６１によって赤色と同じ縮小倍率で、上記第２光変調部７０に設けた画像情報変調用の液晶パネル７２ｇ内の画像形成領域に投影される。また、第１光変調部４０で輝度変調された像光のうち青色成分は、第３光路ＯＰ３において、リレーレンズ６２によって赤色及び緑色と同じ縮小倍率で、上記第２光変調部７０に設けた画像情報変調用の液晶パネル７２ｂ内の画像形成領域に投影される。

第２光変調部７０は、３色の像光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲがそれぞれ入射する３つの液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂと、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂを挟むように配置される３組の偏光フィルタ７３ｒ，７３ｇ，７３ｂとを備え、第２光変調装置として機能する。ここで、赤色光ＬＲ用の液晶パネル７２ｒと、これを挟む一対の偏光フィルタ７３ｒ，７３ｒとは、輝度変調後の像光のうち赤色光ＬＲを画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための液晶ライトバルブを構成する。同様に、緑色光ＬＧ用の液晶パネル７２ｇと、対応する偏光フィルタ７３ｇ，７３ｇも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、青色光ＬＢ用の液晶パネル７２ｂと、偏光フィルタ７３ｂ，７３ｂも、青色用の液晶ライトバルブを構成する。

各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂは、一対の透明なガラス基板間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像信号に従って、それぞれに入射した偏光光束の偏光方向を変調する。つまり、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂは、入射した光束の偏光方向の空間的分布を変化させるための非発光で透過型の光変調装置であり、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂにそれぞれ入射した各色光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲは、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂに電気的信号として入力された駆動信号或いは制御信号に応じて、画素単位で偏光状態が調整される。その際、偏光フィルタ７３ｒ，７３ｇ，７３ｂによって、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂに入射する輝度変調後の像光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂから射出される光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。

なお、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂの画像形成領域（有効領域）の輪郭は、第１光変調部４０に設けた液晶パネル４２ａの画像形成領域（有効領域）の輪郭と相似形状となっており、輝度変調用の液晶パネル４２ａで形成された像光は、画像サイズを一致させて、画像情報変調用の各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂ上に、それぞれ同一縮小倍率で縮小投影される。この際、液晶パネル４２ａを構成する縦横画素数は、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂを構成する縦横画素数と一致しており、画素同士が１対１対応した縮小投影が実現されている。

以上の説明から明らかなように、第２光変調部７０は、第１光変調部４０で輝度変調されたモノクロの像光を表示画像データに基づいて再度光変調する。つまり、第２光変調部７０を経た各色の像光は、２段階の変調によって極めてコントラストの高いものとなっている。

クロスダイクロイックプリズム８０は、偏光フィルタ７３ｒ，７３ｇ，７３ｂから射出された各色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光合成光学系である。このクロスダイクロイックプリズム８０は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜８１，８２が形成されている。一方の第１誘電体多層膜８１は青色光を反射し、他方の第２誘電体多層膜８２は赤色光を反射する。このクロスダイクロイックプリズム８０は、液晶パネル７２ｒからの赤色光ＬＲを第２誘電体多層膜８２で反射して進行方向右側に射出させ、液晶パネル７２ｇからの緑色光ＬＧを第１及び第２誘電体多層膜８１，８２を介して直進・射出させ、液晶パネル７２ｂからの青色光ＬＢを第１誘電体多層膜８１で反射して進行方向右側に射出させる。

このようにクロスダイクロイックプリズム８０で合成された像光は、拡大投影レンズとしての投射光学系９０を経て、適当な拡大率でスクリーン（不図示）にカラー画像として投射される。

図２は、第１光変調部４０から第２光変調部７０への投射を説明する展開図である。第１光変調部４０に設けた液晶パネル４２ａの画像形成領域に形成された像は、リレーレンズ６１（６２）を介して、第２光変調部７０に設けた液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）の画像形成領域に投影される。リレーレンズ６１（６２）から液晶パネル４２ａまでの焦点距離Ｆ１は、リレーレンズ６１（６２）から液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）までの焦点距離Ｆ２よりも大きくなっている。結果的に、液晶パネル４２ａの像は、液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）に倍率β≒Ｆ２／Ｆ１で縮小投影される。この際、リレーレンズ６１（６２）の液晶パネル４２ａ側の見込み角をθ１とし、リレーレンズ６１（６２）の液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）側の見込み角をθ２とした場合、リレーレンズ６１（６２）の入射側の開口数ＮＡ１＝ｓｉｎθ１は、リレーレンズ６１（６２）の射出側の開口数ＮＡ２＝ｓｉｎθ２よりも小さくなっている、つまり、液晶パネル４２ａからの射出光の発散角が大きいと、リレーレンズ６１（６２）の開口数を極めて大きくする必要が生じ、リレーレンズ６１（６２）の製造等に要求される精度が極めて高まることが分かる。このため、前段の液晶パネル４２ａは、画素ごとにマイクロレンズアレイを有しないタイプのものとする。この場合、前段の液晶パネル４２ａからの射出光の広がり角を比較的小さくすることができるので、リレーレンズ６１（６２）の開口数を比較的小さくすることができ、リレーレンズ６１（６２）の結像精度を低コストで高めることができる。一方、後段の液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）については、以上のような事情がないので、マイクロレンズアレイの組込を制限する必要はない。

なお、図示のリレーレンズ６１（６２）は、説明の便宜上単一のレンズで構成されているが、実際は多数のレンズで構成される縮小投影光学系であり、ディストーションその他の歪や諸収差を極めて低減した高精度の光学系となっている。また、リレーレンズ６１（６２）は、射出レンズ４４やフィールドレンズ５５ｒ（５５ｂ，５５ｇ）を含めたリレーレンズ系として、両側テレセントリックとなっている。これにより、液晶パネル４２ａと液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）とに対して、システム光軸ＯＡ方向に関する位置ずれ許容度を持たせつつ、液晶パネル４２ａの像を液晶パネル７２ｒ（７２ｇ，７２ｂ）上に設計どおりの倍率βで縮小投影することができる。

図３は、液晶パネル４２ａから液晶パネル７２ｒへの投射を概念的に説明する図である。液晶パネル４２ａの画像形成領域ＩＡ１は、図２のリレーレンズ６１によって液晶パネル７２ｒ上に倍率βで縮小投影される。そして、液晶パネル４２ａの画像形成領域ＩＡ１の輪郭は、液晶パネル７２ｒの画像形成領域ＩＡ２の輪郭と相似形状となっており、液晶パネル７２ｒの画像形成領域ＩＡ２の輪郭の１／β倍のサイズを有する。既に説明したように、液晶パネル４２ａの画素数と液晶パネル７２ｒの画素数とは一致しており、結果的に、液晶パネル４２ａの各構成画素は、液晶パネル７２ｒの各構成画素に１対１で個別に縮小投影される。つまり、液晶パネル７２ｒの各構成画素によって画像情報変調される光束は、液晶パネル４２ａの各構成画素によって予め輝度変調されたものとなっており、結果的に高精細でありながら高コントラストの画像を投射することができる。

なお、図示を省略したが、液晶パネル４２ａから他の液晶パネル７２ｇ，７２ｂへの画像投射も同様となっており、液晶パネル４２ａの画像形成領域を構成する各構成画素が、液晶パネル７２ｒの画像形成領域を構成する各構成画素に１対１でβ倍のサイズに縮小投影される。

図４は、液晶パネル４２ａ，７２ｒを構成する画素を説明する拡大図である。図４（ａ）に示すように、液晶パネル４２ａは、照明光を画像情報に応じて輝度変調するマトリックス配置の第１光変調領域ＭＡ１と、各第１光変調領域ＭＡ１を仕切るように形成された第１ブラックマトリックスＢＭ１とを有する。また、図４（ｂ）に示すように、液晶パネル７２ｒは、液晶パネル４２ａによる輝度変調光を画像情報に応じて変調するマトリックス配置の第２光変調領域ＭＡ２と、各第２光変調領域ＭＡ２を仕切るように形成された第２ブラックマトリックスＢＭ２とを有する。各第１光変調領域ＭＡ１や各第２光変調領域ＭＡ２は、最終的な投影画像を構成する微細な矩形画素領域に対応している。なお、両液晶パネル４２ａ，７２ｒは、図３で説明したようにサイズが異なっており、第１光変調領域ＭＡ１の矩形画素領域の方が第２光変調領域ＭＡ２の矩形画素領域よりも縮小投影分だけ大きくなっているが、第１ブラックマトリックスＢＭ１と第２ブラックマトリックスＢＭ２の幅はほぼ等しくなっている。両ブラックマトリックスＢＭ１，ＢＭ２の幅がほぼ等しくなるのは、これらの遮光体が同様の製造工程で作製され、同様の集積度の配線や回路を内蔵するものだからである。結果的に、液晶パネル４２ａの開口率の方が液晶パネル７２ｒの開口率よりも大きくなる。

図５は、前段の液晶パネル４２ａを構成する画素から後段の液晶パネル７２ｒを構成する画素への投影を説明する図である。図２でも説明したように、液晶パネル４２ａの像をリレーレンズ６１によって液晶パネル７２ｒに投影した場合、第１光変調領域ＭＡ１の矩形画素領域が第２光変調領域ＭＡ２の矩形画素領域上に縮小投影され、第１光変調領域ＭＡ１の矩形画素領域が第２光変調領域ＭＡ２の矩形画素領域を完全に覆って周囲にはみ出す状態となる。逆に言うならば、第１ブラックマトリックスＢＭ１の格子が第２ブラックマトリックスＢＭ２の格子上に縮小投影され、第２ブラックマトリックスＢＭ２の格子が第１ブラックマトリックスＢＭ１の格子を覆うように広がって周囲にはみ出す状態となる。つまり、第２ブラックマトリックスＢＭ２が第１ブラックマトリックスＢＭ１を包含して余りある状態となっており、前段の液晶パネル４２ａと後段の液晶パネル７２ｒとが正確に位置合わせされず、第１及び第２ブラックマトリックスＢＭ１，ＢＭ２が正確に位置合わせされていない場合であっても、第２ブラックマトリックスＢＭ２が相対的に大きく広がっていることから、第１ブラックマトリックスＢＭ１の投影像が第２ブラックマトリックスＢＭ２からはみ出すことを防止できる。よって、両液晶パネル４２ａ，７２ｒのアライメント誤差や投影誤差に起因する光量損失を低減して各画素をロス無く投射することができ、投射画像に照度ムラが発生することを防止できる。

なお、液晶パネル４２ａの像を液晶パネル７２ｒに縮小投影する際の倍率βの調節によって、第２ブラックマトリックスＢＭ２が第１ブラックマトリックスＢＭ１の投影像から外側にはみ出す割合を調整することができるので、両液晶パネル４２ａ，７２ｒの位置合わせ誤差のマージンを倍率βに応じて増減調整することができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のプロジェクタについて説明する。なお、第２実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタを一部変更したものであり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。また、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様であるものとする。

図６は、第２実施形態のプロジェクタ１１０を説明する平面図である。このプロジェクタ１１０は、図１に示すプロジェクタ１０の色分離投射装置５０に変更を加えたものである。本実施形態のプロジェクタ１１０に組み込んだ色分離投射装置１５０は、第２及び第３ダイクロイックミラー５１ｂ，１５１ａ、反射ミラー５３ａ，５３ｂ，１５３ｅ，１５３ｆ、フィールドレンズ５５ｒ，５５ｇ，５５ｂ、リレーレンズ６１、及び転写レンズ系１５６ａ〜１５６ｃを備える。これらのうち、第２及び第３ダイクロイックミラー５１ｂ，１５１ａを含んで構成される色分離光学系は、強度変調された像光を青（Ｂ）色光、緑（Ｇ）色光、及び赤（Ｒ）色光の３つの光束に分離する。第２ダイクロイックミラー５１ｂは、赤・青・緑のうち赤色光ＬＲの像光成分を透過させ、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとの像光成分を反射する。また、第３ダイクロイックミラー１５１ａは、入射した緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢのうち緑色光ＬＧの像光成分を反射し、青色光ＬＢを透過させる。

この色分離投射装置１５０において、均一照明光学系３０から第１光変調部４０を経て入射した輝度変調後の像光は、反射ミラー５３ａやリレーレンズ６１を経て第２ダイクロイックミラー５１ｂに入射する。像光のうち赤色成分は、第２ダイクロイックミラー５１ｂを透過し、反射ミラー５３ｂを経て最終段のフィールドレンズ５５ｒに入射する（第１光路ＯＰ１）。この際、液晶パネル４２ａで形成された赤色の像光は、画像サイズが一致するように、画像情報変調用の各液晶パネル７２ｒ上に縮小投影される。また、像光のうち緑色成分は、第２ダイクロイックミラー５１ｂ及び第３ダイクロイックミラー１５１ａで反射され、最終段のフィールドレンズ５５ｇに入射する（第２光路ＯＰ２）。この際、液晶パネル４２ａで形成された緑色の像光は、画像情報変調用の各液晶パネル７２ｇ上に赤色と同じ倍率で縮小投影される。さらに、像光のうち青色成分は、第２ダイクロイックミラー５１ｂで反射され、第３ダイクロイックミラー１５１ａを透過して、反射ミラー１５３ｅ，１５３ｆや転写レンズ系１５６ａ〜１５６ｃを経て最終段のフィールドレンズ５５ｂに入射する。転写レンズ系１５６ａ〜１５６ｃは、第１光路ＯＰ１と第２光路ＯＰ２の光路の長さが等しく第３光路ＯＰ３の光路の長さは他の光路よりも長いために、リレーレンズ６１によって第３ダイクロイックミラー１５１ａの後方に一旦形成される液晶パネル４２ａの青色の縮小投影像を、液晶パネル７２ｒ上に等倍かつ正立像として再結像するためのものである。なお、転写レンズ系１５６ａ〜１５６ｃを小型化するために、第３ダイクロイックミラー１５１ａの後方に一旦形成される液晶パネル４２ａの青色の縮小投影像の射出側に、フィールドレンズ１５６ｄを配置することが好ましい。

結果的に、第２実施形態のプロジェクタ１１０でも、第１光変調部４０で輝度変調された各色の像光は、リレーレンズ６１や転写レンズ系１５６ａ〜１５６ｃによって、第２光変調部７０に設けた各色の液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂ上に共通の縮小倍率で縮小投影される。つまり、第１実施形態の場合と同様に、液晶パネル４２ａと液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂとのアライメント誤差や投影誤差に起因する光量損失を低減して各画素をロス無く投射することができ、投射画像に照度ムラが発生することを防止できる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態のプロジェクタについて説明する。なお、第３実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタを一部変更したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様であるものとする。

図７は、第３実施形態のプロジェクタ２１０を説明する平面図である。このプロジェクタ２１０は、図１に示すプロジェクタ１０の第１光変調部４０を第２光変調部７０の後段に配置したものである。

本実施形態のプロジェクタ２１０に組み込んだ色分離装置２５０は、ダイクロイックミラー２５１ａ，２５１ｂ、反射ミラー２５３ａ，２５３ｂ，２５３ｃ、フィールドレンズ２５５ｒ，５５ｇ，５５ｂ、及びリレー系２５６ａ，２５６ｂを備える。これらのうち、ダイクロイックミラー２５１ａ，２５１ｂを含んで構成される色分離光学系は、照明光を青（Ｂ）色光、緑（Ｇ）色光、及び赤（Ｒ）色光の３つの光束に分離する。一方のダイクロイックミラー２５１ａは、赤・青・緑の３色のうち赤色光ＬＲ及び緑色光ＬＧを透過させ、青色光ＬＢを反射する。また、他方のダイクロイックミラー２５１ｂは、入射した赤色光ＬＲ及び緑色光ＬＧのうち緑色光ＬＧを反射し、赤色光ＬＲを透過させる。

この色分離装置２５０において、均一照明光学系３０からの照明光は、まず前段のダイクロイックミラー２５１ａに入射する。ダイクロイックミラー２５１ａで反射された青色光ＬＢは、反射ミラー２５３ｃを経てフィールドレンズ５５ｂに入射する（光路ＯＰ３）。また、前段のダイクロイックミラー２５１ａを透過して後段のダイクロイックミラー２５１ｂで反射された緑色光ＬＧは、そのままフィールドレンズ５５ｇに入射する（光路ＯＰ２）。さらに、後段のダイクロイックミラー４１ｂを通過した赤色光ＬＲは、反射ミラー２５３ａ，２５３ｂを介してレンズ２５６ａ，２５６ｂ，２５５ｒを通過する。これらのレンズ２５６ａ，２５６ｂ，２５５ｒからなる光学系は、均一照明光学系３０からから各色の液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂまでの光路の距離が最も長い赤色の光路ＯＰ１に配置されている。これらのレンズ２５６ａ，２５６ｂ，２５５ｒは、第１のレンズ２５６ａの像を、第２のレンズ２５６ｂを介して、ほぼそのまま第３のレンズ２５５ｒに伝達することにより、光の拡散等による光の利用効率の低下を防止している。

以上の色分離装置２５０により、各色の液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂが等価かつ均一に照明される。

クロスダイクロイックプリズム８０で合成されたカラーの像光は、リレーレンズ２６３によって輝度変調用の第３光変調部２４０において再結像され、第３光変調部２４０で輝度変調された像光は、投射光学系９０によってプロジェクタ２１０の前方に配置されたスクリーン（不図示）に投射される。

ここで、第３光変調部２４０は、入射レンズ２４１、液晶パネル（液晶表示パネル）２４２ａ、及び偏光フィルタ２４３ｂ，２４３ｂを備える。ここで、液晶パネル２４２ａや偏光フィルタ２４３ｂ，２４３ｂは、第１実施形態に係るプロジェクタ１０の第１光変調部４０に設けた液晶パネル４２ａや偏光フィルタ４３ｂ，４３ｂと同一の形状及びサイズを有する。このため、リレーレンズ２６３は、前段の各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂの画像形成領域に形成された画像を、液晶パネル２４２ａの画像形成領域に拡大投影する。ここで、各液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂを構成する縦横画素数は、液晶パネル２４２ａを構成する縦横画素数と一致しており、画素同士が１対１対応した拡大投影が実現される。

本実施形態のプロジェクタ２１０でも、図５の場合と同様に、液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂに形成されたブラックマトリックスＢＭ２の投影像が相対的に大きく液晶パネル２４２ａに形成されたブラックマトリックスＢＭ１を完全に包含して周囲にはみ出すようになっている。よって、液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂと液晶パネル２４２ａとの相対的位置ずれや投影誤差に起因する光量損失を低減して各画素をロス無く投射することができ、投射画像に照度ムラが発生することを防止できる。

なお、この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、上記実施形態では、光源ランプユニット２０からの光を複数の部分光束に分割するため、２つのレンズアレイ３１，３２を用いていたが、この発明は、このようなレンズアレイを用いないプロジェクタにも適用可能である。また、レンズアレイ３１，３２をロッドインテグレータに置き換えることもできる。さらに、光源ランプユニット２０からの光を特定方向の偏光とする偏光変換部材３４を用いていたが、この発明は、このような偏光変換部材３４を用いないプロジェクタにも適用可能である。

また、上記第１実施形態では、リレーレンズ６１によって赤及び緑色の像光の投影を行い、リレーレンズ６２によって青色の像光の投影を行っているが、これらの組み合わせは液晶パネル７２ｒ，７２ｇ，７２ｂの配置等を変更することによって任意に変更することができる。さらに、上記第２実施形態では、青色の液晶ライトバルブ７２ｂを比較的長い第３光路ＯＰ３に配置するとともに当該第３光路ＯＰ３に転写レンズ系１５６ａ〜１５６ｃを配置しているが、他の赤色や緑色を比較的長い第３光路ＯＰ３に導くことも可能である。

また、プロジェクタとしては、投射面を観察する方向から画像投射を行う前面プロジェクタと、投射面を観察する方向とは反対側から画像投射を行う背面プロジェクタとがあるが、図１等に示すプロジェクタ１０，１１０，２１０の構成は、いずれにも適用可能である。

第１実施形態に係るプロジェクタの光学系を説明する図である。 第１光変調部から第２光変調部への投射を説明する展開図である。 一方の液晶パネルから他方の液晶パネルへの投射を概念的に説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、液晶パネルを構成する画素を説明する拡大図である。 前段の液晶パネルを構成する画素から後段の液晶パネルを構成する画素への投影を説明する図である。 第２実施形態に係るプロジェクタの光学系を説明する図である。 第３実施形態に係るプロジェクタの光学系を説明する図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０…プロジェクタ、 ２０…光源ランプユニット、 ２１…光源ランプ、 ３０…均一照明光学系、 ３１，３２…レンズアレイ、 ３４…偏光変換部材、 ３５…コンデンサレンズ、 ４０…第１光変調部、 ４１…入射レンズ、 ４１ｂ…ダイクロイックミラー、 ４２ａ…液晶パネル、 ４３ｂ，４３ｂ…偏光フィルタ、 ４４…射出レンズ、 ４６…リレー光学系、 ５０…色分離投射装置、 ５１ａ，５１ｂ，１５１ａ…各ダイクロイックミラー、 ５４…両面ミラー、 ６１，６２…リレーレンズ、 ７０…第２光変調部、 ７２ｒ，７２ｇ，７２ｂ…液晶パネル、 ７３ｒ，７３ｇ，７３ｂ…偏光フィルタ、 ８０…クロスダイクロイックプリズム、 ８１，８２…誘電体多層膜、 ９０…投射光学系、 ＢＭ１…第１ブラックマトリックス、 ＢＭ２…第２ブラックマトリックス、 ＩＡ１…画像形成領域、 ＩＡ２…画像形成領域、 ＬＢ，ＬＧ，ＬＲ…各色光、 ＭＡ１…第１光変調領域、 ＭＡ２…第２光変調領域、 ＯＡ…システム光軸

Claims (11)

1. 光源を含む照明装置と、
   前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する第１光変調領域と、当該第１光変調領域を仕切るように形成されて前記照明装置からの光を遮光する第１ブラックマトリックスとを有する第１液晶ライトバルブと、
   前記第１液晶ライトバルブで変調された変調光を一旦結像させるリレーレンズ系と、
   前記リレーレンズ系によって結像された像光を画像情報に応じて変調する第２光変調領域と、当該第２光変調領域を仕切るように形成されて前記リレーレンズ系からの像光を遮光する第２ブラックマトリックスとを有する第２液晶ライトバルブと、
   前記第２液晶ライトバルブで変調された変調光を像光として投射する投射光学系とを備え、
   前記第１液晶ライトバルブの前記第１ブラックマトリックスの形状と、前記第２液晶ライトバルブの前記第２ブラックマトリックスの形状とは、前記リレーレンズ系によって前記第２液晶ライトバルブに投影される前記第１ブラックマトリックスの投影像の領域と、前記第２ブラックマトリックスの領域とのいずれか一方が他方を包含して余りある状態とできるものであることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記リレーレンズ系は、縮小光学系であり、前記第２ブラックマトリックスの領域は、前記第１ブラックマトリックスの前記リレーレンズ系による投影像の領域からはみ出すように当該投射像の領域を包含する請求項１記載のプロジェクタ。
3. 第１液晶ライトバルブは、輝度変調用の液晶パネルを含み、第２液晶ライトバルブは、画像情報変調用の液晶パネルを含む請求項２記載のプロジェクタ。
4. 前記輝度変調用の液晶パネルは、マイクロレンズアレイを有しないタイプの装置である請求項３記載のプロジェクタ。
5. 前記第１液晶ライトバルブの有効領域における前記第１光変調領域の全割合に対応する開口率は、前記第２液晶ライトバルブの有効領域における前記第２光変調領域の全割合に対応する開口率よりも大きい請求項２から請求項４のいずれか一項記載のプロジェクタ。
6. 前記第２液晶ライトバルブは、複数の色光を個別に変調する複数の各色用液晶ライトバルブを含み、
   前記照明装置からの光を各色光に分離して前記各色用液晶ライトバルブに供給する色分離光学系と、前記各色用液晶ライトバルブで変調された各色の変調光を合成する光合成光学系とをさらに備え、
   前記第１液晶ライトバルブから前記各色用液晶ライトバルブまでの光路の長さがすべて等しいか、又は、前記第１液晶ライトバルブから前記各色用液晶ライトバルブのうち少なくとも２つまでの光路の長さが等しく、前記各色用液晶ライトバルブのうち残った少なくとも１つまでの延長光路上に前記リレーレンズによって一旦形成される像の正立かつ当倍像を投影する転写レンズ系を有する請求項２から請求項５のいずれか一項記載のプロジェクタ。
7. 前記リレーレンズ系は、拡大光学系であり、前記第１ブラックマトリックスの前記リレーレンズ系による投影像の領域は、前記第２ブラックマトリックスの領域からはみ出すように当該領域を包含する請求項１記載のプロジェクタ。
8. 第１液晶ライトバルブは、画像情報変調用の液晶パネルを含み、第２液晶ライトバルブは、輝度変調用の液晶パネルを含む請求項７記載のプロジェクタ。
9. 前記第１液晶ライトバルブの画素数と、前記第２液晶ライトバルブの画素数とは等しい請求項１から請求項８記載のプロジェクタ。
10. 前記第１液晶ライトバルブの前記第１光変調領域の外形に対応する有効領域の形状と、前記第２液晶ライトバルブの前記第２光変調領域の外形に対応する有効領域の形状とは相似関係を有する請求項１から請求項９記載のプロジェクタ。
11. 前記リレーレンズ系は、両側テレセントリックな投影光学系である請求項１から請求項１０記載のプロジェクタ。

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