JP2010096840A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全反射プリズムでの光量損失を防止して、光の利用効率を向上でき、装置の小型化およびコストダウンが図れる投影装置を提供する。
【解決手段】光源11と、第１プリズム16の第１光学面16aおよび第２プリズム17の第２光学面17aをエアギャップ18を介して対向配置してなる全反射プリズム15と、反射型の空間光変調素子20とを有し、光源11からの照明光を、第１プリズム16から第１光学面16aに臨界角未満の入射角度で入射させて、第１光学面16a、エアギャップ18、第２光学面17aを経て第２プリズム17から出射させて空間光変調素子20に導き、空間光変調素子20からの投影光を、第２プリズム17から第２光学面17aに臨界角以上の入射角度で入射させ、第２光学面17aで全反射されて第２プリズム17から出射される投影光を投影表示する投影装置において、光源11からの照明光を第１光学面16aにＰ偏光で入射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影装置に関するものである。

従来の投影装置として、図３に示す構成の投影装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この投影装置は、光源１０１からの無偏光の照明光を、一対のフライアイレンズ１０２ａ，１０２ｂからなるインテグレータ光学系１０２を経て偏光変換素子１０３に入射させて直線偏光に変換し、その直線偏光の照明光を、一対のコンデンサレンズ１０４ａ，１０４ｂを経て、全反射プリズム１０５に入射させている。

全反射プリズム１０５は、それぞれ三角柱状の第１プリズム１０６および第２プリズム１０７を有し、第１プリズム１０６の光学面１０６ａと、第２プリズム１０７の光学面１０７ａとをエアギャップ１０８を介して平行に対向して配置した、いわゆるＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズムからなっている。

図３に示す投影装置は、コンデンサレンズ１０４ｂを経た直線偏光の照明光を、全反射プリズム１０５の第２プリズム１０７の光学面１０７ｂから、光学面１０７ａに臨界角以上の入射角度で入射させ、これにより光学面１０７ａで全反射させて光学面１０７ｃから出射させている。

全反射プリズム１０５の第２プリズム１０７の光学面１０７ｃから出射した照明光は、色分離／合成プリズム１０９によりＲＧＢの３原色光に分離して、図４に図３のＡ矢視図を示すように、それぞれ対応するデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂに入射させる。

ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂでは、入射する対応する色の照明光を、表示すべき画像に応じて所定方向（オン光）に反射させることにより空間変調して、それらの変調光を色分離／合成プリズム１０９に入射させる。色分離／合成プリズム１０９は、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂからの変調光（投影光）を合成して出射させる。

色分離／合成プリズム１０９から出射した投影光は、全反射プリズム１０５の第２プリズム１０７の光学面１０７ｃから、光学面１０７ａに臨界角未満の入射角度で入射させ、これにより光学面１０７ａを透過させ、さらに、エアギャップ１０８を経て第１プリズム１０６の光学面１０６ａから該第１プリズム１０６内に入射させて、光学面１０６ｂから出射させる。

全反射プリズム１０５の第１プリズム１０６の光学面１０６ｂから出射した投影光は、検光子１１１および投影光学系１１２を経てスクリーン１１３に投影表示する。

図３に示した従来の投影装置は、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂに直線偏光の照明光を入射させ、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂからの投影光は、入射した照明光の直線偏光と同じ偏光方向の光を透過させる検光子１１１に入射させることにより、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂで発生した不所望な散乱光を検光子１１１で遮断して、投影画像のコントラスト低下を防止するようにしている。

特開２００４−２３９９５４号公報

ところで、エアギャップを介して２つのプリズムを配してなるＴＩＲプリズムは、屈折率の高い光学部材（プリズム）側から、屈折率の低い空気（エアギャップ）側へ光を入射させることにより、その入射角度に応じて、光を全反射または透過させるようにしている。ここで、プリズムの屈折率をｎ、エアギャップの屈折率を１とすると、臨界角（全反射角）θｃは、θｃ＝arcsin（１／ｎ）、で与えられる。したがって、入射角度を臨界角θｃ以上として光を入射させれば、入射光を全反射させることができ、臨界角θｃ未満で入射させれば、入射光を透過させることができる。

しかし、本発明者による実験によると、ＴＩＲプリズムは、光を反射させる場合には、入射角度を臨界角以上として、全反射を利用するので、ほぼ１００％の反射率を得ることができるが、入射角度を臨界角未満として、光を透過させる場合には、十分な透過率が得られないことがわかった。

図５は、本発明者が実験したＴＩＲプリズムにおける可視光領域での反射率特性を示すもので、屈折率が１．６５のプリズムを用いた場合を示している。なお、図５において、実線はＰ偏光成分を示し、破線はＳ偏光成分を示している。この場合、臨界角θｃは、３７度付近となり、Ｐ偏光の反射率が０となるブリュースター角は、３２度付近に存在する。このＴＩＲプリズムにおいては、臨界角θｃ以上の入射角度では、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに、ほぼ１００％の反射率が得られているが、入射角度を臨界角未満として、光を透過させる場合には、反射率が十分低下せず、特にＳ偏光については、Ｐ偏光よりも高い反射率を有しており、十分な透過率が得られていないことがわかる。

したがって、入射角度を臨界角未満として、光を透過させる場合には、光量損失が生じ、光の利用効率が低下することになる。しかも、ＴＩＲプリズムにおいては、エアギャップを介して非常に接近した２つの光学面を透過させることになるため、光量損失はさらに著しくなる。

しかしながら、図３に示した投影装置は、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂで発生する不所望な散乱光による投影画像のコントラスト低下を防止するために、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂに直線偏光の照明光を入射させるとともに、ＤＭＤ１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂからの投影光を、照明光の直線偏光と同じ偏光方向の光を透過させる検光子１１１を経て取り出すようにしたもので、全反射プリズム１０５に入射させる照明光については、何ら言及されていない。

このため、図３に示した投影装置において、偏光変換素子１０３により照明光をＳ偏光に変換して全反射プリズム１０５に入射させるようにすると、Ｓ偏光の投影光が全反射プリズム１０５を透過する際の光量損失が大きくなって、光の利用効率が低下し、十分な明るさの投影光が得られなくなる。その結果、光量の大きな光源が必要となり、装置の大型化やコストアップを招くことが懸念される。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、全反射プリズムでの光量損失を防止して、光の利用効率を向上でき、装置の小型化およびコストダウンが図れる投影装置を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る投影装置の発明は、
照明光を出射する光源と、
第１プリズムの第１光学面と、第２プリズムの第２光学面とをエアギャップを介して対向させて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムを配置してなる全反射プリズムと、
前記光源からの照明光を表示画像に応じて空間変調して、入射光方向とは異なる方向に投影光として反射させる反射型の空間光変調素子とを有し、
前記光源からの照明光を、前記第１プリズムに入射させて、前記第１光学面に臨界角未満の入射角度で入射させ、該第１光学面を透過する照明光を、前記エアギャップを経て前記第２光学面から前記第２プリズムに入射させて、該第２プリズムから出射される照明光を前記空間光変調素子に導き、
前記空間光変調素子からの投影光を、前記第２プリズムに入射させて、前記第２光学面に臨界角以上の入射角度で入射させ、該第２光学面で全反射されて前記第２プリズムから出射される投影光を投影表示する投影装置において、
前記光源からの照明光を前記第１光学面にＰ偏光で入射させるように構成したことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の投影装置において、
前記第１光学面に対する照明光の入射角度を、ブリュースター角またはその近傍に設定したことを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する請求項３に係る投影装置の発明は、
照明光を出射する光源と、
第１プリズムの第１光学面と、第２プリズムの第２光学面とをエアギャップを介して対向させて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムを配置してなる全反射プリズムと、
前記光源からの照明光を表示画像に応じて空間変調して、入射光方向とは異なる方向に投影光として反射させる反射型の空間光変調素子とを有し、
前記光源からの照明光を、前記第２プリズムに入射させて、前記第２光学面に臨界角以上の入射角度で入射させ、該第２光学面で全反射される照明光を、前記第２プリズムから出射させて前記空間光変調素子に導き、
前記空間光変調素子からの投影光を、前記第２プリズムに入射させて、前記第２光学面に臨界角未満の入射角度で入射させ、該第２光学面を透過する投影光を前記エアギャップを経て前記第１光学面から前記第１プリズムに入射させて、該第１プリズムから出射される投影光を投影表示する投影装置において、
前記空間光変調素子からの投影光を第２光学面にＰ偏光で入射させるように構成したことを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の投影装置において、
前記第２光学面に対する投影光の入射角度を、ブリュースター角またはその近傍に設定したことを特徴とするものである。

本発明によれば、全反射プリズムを透過させる照明光または投影光をＰ偏光とするように構成したので、全反射プリズムでの光量損失を防止することができる。したがって、光の利用効率を向上でき、装置の小型化およびコストダウンが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る投影装置の概略構成を示す図である。この投影装置では、光源１１からの照明光を、公知の偏光変換素子１２により直線偏光に変換して、インテグレータ素子１３および照明レンズ１４を経て全反射プリズム１５に入射させる。

全反射プリズム１５は、ＴＩＲプリズムからなるもので、それぞれ三角柱状の第１プリズム１６および第２プリズム１７を有し、これら第１プリズム１６および第２プリズム１７を、第１プリズム１６の第１光学面である光学面１６ａと、第２プリズム１７の第２光学面である光学面１７ａとを、エアギャップ１８を介して平行に対向させて配置する。

本実施の形態では、照明レンズ１３を経て出射される直線偏光が、第１プリズム１６の光学面１６ａに対してＰ偏光となるように設定して、このＰ偏光の照明光を、第１プリズム１６の光学面１６ｂから光学面１６ａに臨界角未満の入射角度で入射させて、該光学面１６ａを透過させ、さらに、エアギャップ１８を経て、第２プリズム１７の光学面１７ａにＰ偏光で入射させて、第２プリズム１７内を経て光学面１７ｂから出射させ、この光学面１７ｂから出射される照明光をＤＭＤ２０に入射させる。

ＤＭＤ２０は、入射する照明光を表示画像に応じて所定方向に反射させることにより空間変調し、その空間変調された投影光（オン光）を、全反射プリズム１５の第２プリズム１７の光学面１７ｂから光学面１７ａに臨界角以上の入射角度で入射させて、該光学面１７ａで全反射させ、この全反射された投影光を第２プリズム１７の光学面１７ｃから出射させてスクリーン２１に投影表示する。

ここで、ＤＭＤ２０に入射する照明光とＤＭＤ２０から反射される投影光（オン光）との成す角度（挟角）は、ＤＭＤ２０によって決定される。したがって、その挟角に応じて、全反射プリズム１５を構成する第１プリズム１６の光学面１６ａに対するＰ偏光の照明光の入射角度、および第２プリズム１７の光学面１７ａに対するＰ偏光の投影光の入射角度を、これら照明光の入射角度と投影光の入射角度との中間に、臨界角が位置するように、全反射プリズム１５およびＤＭＤ２０を配置することも可能であるが、本実施の形態では、透過させるＰ偏光の照明光の入射角度を、反射率が０となるブリュースター角またはその近傍の角度に設定する。すなわち、全反射プリズム１５が、図５に示した反射率特性を有する場合には、ブリュースター角が３２度付近に存在するので、照明光の入射角度を３２度付近に設定し、それに伴って、投影光の入射角度を、臨界角以上の角度範囲でシフトして設定する。

なお、カラー画像を投影する場合には、光源１１を、例えば、高圧水銀ランプやキセノンランプ等の白色光を出射する公知のランプを用いて構成し、この光源１１からの白色光を回転色フィルタによりＲＧＢに順次分離し、その照明光の色分離に同期して、対応する色の画像信号をＤＭＤ２０に供給して、面順次でカラー画像を投影表示すればよい。あるいは、光源１１を、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色ＬＥＤや３色レーザを用いて構成し、各色を順次発光して、その発光に同期して、対応する色の画像信号をＤＭＤ２０に供給して、面順次でカラー画像を投影表示することもできる。あるいは、ＤＭＤ２０に白色光の照明光を照射するとともに、ＤＭＤ２０の前方（入出射面）に画素単位にＲＧＢの色フィルタを設けて、同時にカラー画像を投影表示することもできる。なお、光源１１として、レーザ等の直線偏光を出射する光源を用いる場合には、偏光変換素子１２を省略し、光源１１からの直線偏光が、全反射プリズム１５の光学面１６ａに対してＰ偏光となるように、光源１１および全反射プリズム１５を設置すればよい。

本実施の形態によれば、光源１１からの照明光を、全反射プリズム１５の光学面１６ａ，１７ａに対してＰ偏光で入射させて、該全反射プリズム１５を透過したＰ偏光の照明光をＤＭＤ２０に導くようにしたので、全反射プリズム１５での照明光の光量損失を低減することができる。したがって、光の利用効率を向上できるので、光源１１を大型化する必要がなく、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。しかも、本実施の形態では、全反射プリズム１５の光学面１６ａに対するＰ偏光の照明光の入射角度を、ブリュースター角またはその近傍の角度にシフトして設定したので、照明光の光量損失を、より効果的に抑えることが可能となる。

（第２実施の形態）
図２は、本発明の第２実施の形態に係る投影装置の概略構成を示す図である。この投影装置は、図１に示した投影装置において、光源１１、偏光変換素子１２、インテグレータ素子１３および照明レンズ１４を有する照明系と、スクリーン２１を有する投影系との配置を逆にしたものである。

すなわち、図２に示す投影装置では、光源１１からの照明光を、偏光変換素子１２により直線偏光に変換して、インテグレータ素子１３および照明レンズ１４を経て全反射プリズム１５の第２プリズム１７の光学面１７ｃから光学面１７ａに臨界角以上の入射角度でＰ偏光で入射させて、該光学面１７ａで全反射させ、この全反射されたＰ偏光の照明光を、光学面１７ｂから出射させてＤＭＤ２０に入射させる。

また、ＤＭＤ２０で変調されたＰ偏光の投影光は、第２プリズム１７の光学面１７ｂから光学面１７ａに臨界角未満の入射角度で入射させて透過させる。この光学面１７ａを透過したＰ偏光の投影光は、エアギャップ１８を経て、第１プリズム１６の光学面１６ａにＰ偏光で入射させて、第１プリズム１６内を経て光学面１６ｂから出射させ、この光学面１６ｂから出射する投影光をスクリーン２１に投影表示する。

なお、図２に示す構成において、全反射プリズム１５の第２プリズム１７の光学面１７ａに対する照明光の入射角度および投影光の入射角度は、第１実施の形態で説明したと同様に、照明光の入射角度と投影光の入射角度との中間に、臨界角が位置するように、全反射プリズム１５およびＤＭＤ２０を配置することも可能であるが、本実施の形態では、透過させるＰ偏光の投影光の入射角度を、反射率が０となるブリュースター角またはその近傍の角度に設定する。すなわち、全反射プリズム１５が、図５に示した反射率特性を有する場合には、ブリュースター角が３２度付近に存在するので、投影光の入射角度を３２度付近に設定し、それに伴って、照明光の入射角度を、臨界角以上の角度範囲でシフトして設定する。その他の構成および動作は、第１実施の形態と同様である。

したがって、本実施の形態によれば、ＤＭＤ２０からの投影光を、全反射プリズム１５の光学面１７ａ，１６ａに対してＰ偏光で入射させて、該全反射プリズム１５を透過させて投影表示するようにしたので、全反射プリズム１５での投影光の光量損失を低減することができる。したがって、光の利用効率を向上できるので、第１実施の形態の場合と同様に、光源１１を大型化する必要がなく、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。しかも、本実施の形態では、全反射プリズム１５の光学面１７ａに対するＰ偏光の投影光の入射角度を、ブリュースター角またはその近傍の角度にシフトして設定したので、投影光の光量損失を、より効果的に抑えることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、全反射プリズムを構成する第１プリズムおよび第２プリズムは、任意の三角形状とすることができるとともに、第１プリズムの一面と第２プリズムの一面とがエアギャップを介して対向すれば、三角柱状に限らず、照明系や投影系の配置に応じて、任意の多角形状とすることができる。

また、上記実施の形態では、反射型の空間光変調素子としてＤＭＤを用いたが、ＬＣＯＳを用いて投影装置を構成することもできる。この場合、ＬＣＯＳからの投影光（反射光）は、入射する照明光の直線偏光方向と直交するので、図２に示したように、照明光は全反射プリズム１５で全反射させ、投影光は全反射プリズム１５を透過させる場合には、ＬＣＯＳからの投影光がＰ偏光で全反射プリズム１５を透過するように、照明光を全反射プリズム１５にＳ偏光で入射させる。

さらに、全反射プリズム１５から出射する投影光の光路中に、投影光と同じ偏光方向の光を透過する検光子を設けて、空間光変調素子等で生じた不所望な散乱光を除去し、コントラストを向上させることもできる。

また、投影装置は、一枚の空間光変調素子を用いる単板式に限らず、色分離／合成プリズムと組み合わせて、２枚の空間光変調素子を用いる２板式あるいは３枚の空間光変調素子を用いる３板式のカラー画像投影装置として構成することもできる。

本発明の第１実施の形態に係る投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施の形態に係る投影装置の概略構成を示す図である。 従来の投影装置の概略構成を示す図である。 図４のＡ矢視図である。 ＴＩＲプリズムにおける可視光領域での反射率特性を示す図である。

符号の説明

１１ 光源
１２ 偏光変換素子
１３ インテグレータ素子
１４ 照明レンズ
１５ 全反射プリズム
１６ 第１プリズム
１６ａ 光学面（第１光学面）
１６ｂ 光学面
１７ 第２プリズム
１７ａ 光学面（第２光学面）
１７ｂ，１７ｃ 光学面
１８ エアギャップ
２０ ＤＭＤ
２１ スクリーン

Claims (4)

1. 照明光を出射する光源と、
   第１プリズムの第１光学面と、第２プリズムの第２光学面とをエアギャップを介して対向させて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムを配置してなる全反射プリズムと、
   前記光源からの照明光を表示画像に応じて空間変調して、入射光方向とは異なる方向に投影光として反射させる反射型の空間光変調素子とを有し、
   前記光源からの照明光を、前記第１プリズムに入射させて、前記第１光学面に臨界角未満の入射角度で入射させ、該第１光学面を透過する照明光を、前記エアギャップを経て前記第２光学面から前記第２プリズムに入射させて、該第２プリズムから出射される照明光を前記空間光変調素子に導き、
   前記空間光変調素子からの投影光を、前記第２プリズムに入射させて、前記第２光学面に臨界角以上の入射角度で入射させ、該第２光学面で全反射されて前記第２プリズムから出射される投影光を投影表示する投影装置において、
   前記光源からの照明光を前記第１光学面にＰ偏光で入射させるように構成したことを特徴とする投影装置。
2. 前記第１光学面に対する照明光の入射角度を、ブリュースター角またはその近傍に設定したことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 照明光を出射する光源と、
   第１プリズムの第１光学面と、第２プリズムの第２光学面とをエアギャップを介して対向させて、前記第１プリズムおよび前記第２プリズムを配置してなる全反射プリズムと、
   前記光源からの照明光を表示画像に応じて空間変調して、入射光方向とは異なる方向に投影光として反射させる反射型の空間光変調素子とを有し、
   前記光源からの照明光を、前記第２プリズムに入射させて、前記第２光学面に臨界角以上の入射角度で入射させ、該第２光学面で全反射される照明光を、前記第２プリズムから出射させて前記空間光変調素子に導き、
   前記空間光変調素子からの投影光を、前記第２プリズムに入射させて、前記第２光学面に臨界角未満の入射角度で入射させ、該第２光学面を透過する投影光を前記エアギャップを経て前記第１光学面から前記第１プリズムに入射させて、該第１プリズムから出射される投影光を投影表示する投影装置において、
   前記空間光変調素子からの投影光を第２光学面にＰ偏光で入射させるように構成したことを特徴とする投影装置。
4. 前記第２光学面に対する投影光の入射角度を、ブリュースター角またはその近傍に設定したことを特徴とする請求項３に記載の投影装置。

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