JP2010145451A - 画像投射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】画像投射用光学系及び画像投射装置のさらなる小型化や薄型化を実現する。
【解決手段】画像投射用光学系は、照明光学系αと、該照明光学系からの光を複数の色光に分解して光変調素子63R,63G,63Bに導き、該光変調素子にて変調された複数の色光を合成する色分解合成光学系βaと、該合成された光を投射する投射レンズ2とを有する。該光学系は、光源ランプからの光を照明光学系に向けて反射する第1の反射部材50と、投射レンズからの光を被投射面に向けて反射する第2の反射部材3とを有する。照明光学系から色分解合成光学系への入射光軸L1と色分解合成光学系から投射レンズへの射出光軸L2の延長線L2′とが互いに離間した位置にて互いに平行に延び、該射出光軸の延長線上に光源ランプが配置される。光源ランプから第1の反射部材への光の入射方向L3と第2の反射部材から被投射面への光の射出方向L4とは互いに平行である。
【選択図】図1

Description

本発明は、液晶プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる光学系に関する。
画像投射装置の光学系として、該装置の幅方向と奥行き方向でのアスペクト比が概ね1対1になるように構成された小型の光学系が従来提案されている(特許文献1,2参照)。また、装置の長手方向に対して直交する断面内でのサイズを小型化した上で、色分解合成光学系からの射出光軸に直交する方向に投射レンズを配置し、該射出光軸に平行な方向に光源ランプを配置した光学系も知られている(特許文献3参照)。
特開2007−47799号公報 特開2005−221980号公報 特開2003−207740号公報
画像投射装置においては、特許文献1〜3にて開示された光学系を用いた画像投射装置に比べて、さらに小型化や薄型化が求められている。特に、投射レンズの光軸が概ね水平方向に延びるように横置きして使用するだけでなく、光源ランプ側を下に、投射レンズ側を上にした縦置き使用も可能とすることが求められている。
そこで、本発明は、従来よりもさらに小型化や薄型化を容易に図ることできるようにした画像投射用光学系及びこれを備えた画像投射装置を提供する。
本発明の一側面である画像投射用光学系は、入射した光を画像変調する複数の光変調素子と、光源ランプからの光を複数の光束に分割し、該複数の光束を各光変調素子上で重ね合わせる照明光学系と、照明光学系からの光を複数の色光に分解して該複数の色光を複数の光変調素子に導き、該複数の光変調素子にて変調された複数の色光を合成する色分解合成光学系と、該色分解合成光学系にて合成された光を被投射面に投射する投射レンズとを有する。さらに、該光学系は、光源ランプからの光を照明光学系に向けて反射する第1の反射部材と、投射レンズからの光を被投射面に向けて反射する第2の反射部材とを有する。そして、照明光学系から色分解合成光学系への入射光軸と色分解合成光学系から投射レンズへの射出光軸の延長線とが互いに離間した位置にて互いに平行に延び、上記射出光軸の延長線上に、光源ランプの少なくとも一部が配置され、さらに、光源ランプから第1の反射部材への光の入射方向と第2の反射部材から被投射面への光の射出方向とが互いに平行であることを特徴とする。
本発明によれば、照明光学系から色分解合成光学系への入射光軸と色分解合成光学系から投射レンズへの射出光軸の方向(長手方向)に直交する断面において小型化された画像投射用光学系を実現することができる。そして、これを収容する筐体を含めた画像投射装置全体を、上記長手方向に細長い形状(例えば、四角柱形状)に形成することが可能となる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図1には、本発明の実施例1である画像投射用光学系を用いた画像投射装置100の構成を示している。
光源ランプ1から射出した光は、第1のミラー(第1の反射部材)50で反射されて照明光学系αに向かう。照明光学系αを通過した光は、色分解合成光学系βa及び図1では図示が省略されている液晶パネル(光変調素子)を経由して投射レンズ2から射出する。投射レンズ2から射出した光は、第2のミラー(第2の反射部材)3によって反射されて不図示のスクリーンや壁面等の被投射面に投射される。
なお、第1及び第2の反射部材としては、プリズム等のミラー以外の部材を用いることもできる。
ここで、本実施例の画像投射用光学系では、
(1)照明光学系αから色分解合成光学系βaへの入射光軸L1と色分解合成光学系βaから投射レンズ2への射出光軸L2の延長線L2′とが、互いに所定距離Dだけ離間した位置にて互いに平行に延びている。このことは、入射光軸L1と射出光軸L2とが互いに所定距離Dだけ離間した位置にて互いに平行に延びていると言い換えてもよい。
(2)また、上記射出光軸L2の延長線上(L2′上)に、光源ランプ1の少なくとも一部が配置されている。
(3)さらに、光源ランプ1から第1のミラー50への光の入射方向(言い換えれば、入射光軸L3)と第2のミラー3から被投射面への光の射出方向(言い換えれば、射出光軸L4)とは互いに平行である。
なお、本実施例では、光源ランプ1から第1のミラー50への光の入射方向と第2のミラー3から被投射面への光の射出方向は、互いに反対方向である。
上記(1)〜(3)にて説明した配置条件を満足することで、画像投射用光学系を、入射光軸L1と射出光軸L2の方向に長く、該方向に対して直交する断面でのサイズが小さい細長い形状にまとめる、つまりは小型化と薄型化を図ることができる。したがって、該画像投射用光学系を、入射光軸L1と射出光軸L2の方向を長手方向とする細長い四角柱形状の筐体100の内部に収容することができる。
また、本実施例では、光源ランプ1からの光の射出方向(入射光軸L3)は、照明光学系αから色分解合成光学系βaへの入射光軸L1に対して直交する方向である。これにより、画像投射用光学系の長手方向でのサイズも小さくすることができる。
しかも、本実施例では、主として光源ランプ1を冷却するために設けられた排気ファン6を、該排気ファン6の回転軸が入射光軸L1と射出光軸L2に対して平行となるように配置している。言い換えれば、排気ファン6は、その回転軸が延びる方向が光源ランプ1からの光の射出方向(入射光軸L3)に対して直交するように配置されている。排気ファン6からの空気の排出口7は、筐体100の長手方向の端面に設けられており、光源ランプ1を冷却した空気は筐体100の長手方向に排出される。なお、排気ファン6が、光源ランプ1と同様に、その少なくとも一部が射出光軸L2の延長線L2′上に配置されているとも言える。
このようなファン7の配置により、筐体100(つまりは画像投射装置)の長手方向での小型化も実現しつつ、光源ランプ1の冷却を効率良く行うことができる。
本実施例にいう「平行」や「直交」は、完全な平行や直交である必要はなく、概ね平行又は直交するとみなせる範囲で多少のずれを有する場合(例えば、10度程度のずれを有する場合)を含む。
また、本実施例において、「入射光軸」や「射出光軸」は、光源ランプ1から射出した光のうち、液晶パネルの画像表示面の中心を通り、被投射面上に投射された投射画像の中心に至る光線(中心画角主光線)が辿る光路に相当する。
さらに、第2のミラー3の角度を変えて、被投射面への光の射出方向を調節できるようにしてもよい。この場合も、光源ランプ1から第1のミラー50への光の入射方向と第2のミラー3から被投射面への光の射出方向とが平行となる第2のミラー3の角度を選択可能であれば、上述した(3)の配置条件を満たす。
4は光源ランプ1に点灯電源を供給する第1の電源ユニットであり、5は光源ランプ1以外の電気部品又は電気回路に電源を供給する第2の電源ユニットである。これら電源ユニット4,5は、筐体100の内部における光源ランプ1と第2のミラー3との間に、入射光軸L1と射出光軸L2に対して平行になるように配置されている。さらに言えば、電源ユニット4,5は、筐体100における長手方向に延びる面(側面)と色分解合成光学系βa及び投射レンズ2との間の空間に、該側面と色分解合成光学系βa及び投射レンズ2のうち少なくとも一方に沿うように(近接して)配置されている。
このような配置により、上記画像投射用光学系と電源ユニット4,5を収容した筐体100の長手方向に直交する断面のサイズを小さくすることができる。もちろん、電源ユニット4,5以外の電気回路基板(図示せず)についても、同様に配置してもよい。
次に、画像投射用光学系のより具体的な構成と光学作用を示す。光源ランプ1は、超高圧水銀ランプ等の高輝度光源であり、白色光を発する発光管と、該発光管からの発散光を所定の方向に集光するリフレクタとを有する。
図2には、照明光学系αの構成を示す。光源ランプ1からの光は、第1のミラー50によって反射されて照明光学系αに入射する。
照明光学系αにおいて、51aは図2の紙面に平行な方向(図1の紙面に垂直な方向:以下、水平方向という)において屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有する第1のシリンダアレイである。51bは第1のシリンダアレイ51aの複数のシリンドリカルレンズに対応した複数のシリンドリカルレンズを有する第2のシリンダアレイである。52は紫外線吸収フィルタである。53は光源ランプ1からの無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する(P偏光をS偏光に変換する)偏光変換素子である。
54は図2の紙面に垂直な方向(図1の紙面に平行な方向:以下、垂直方向という)において屈折力を有するシリンドリカルレンズにより構成されたフロントコンプレッサである。51cは垂直方向において屈折力を有する複数のシリンドリカルレンズを有する第3のシリンダアレイである。51dは第3のシリンダアレイ51cの複数のシリンドリカルレンズに対応した複数のシリンドリカルレンズを有する第4のシリンダアレイである。
55は色座標を調整するために特定波長域の光を光源ランプ1に戻すように作用するカラーフィルタである。56はコンデンサレンズである。57は垂直方向において屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成されたリアコンプレッサである。
このように構成された照明光学系αは、光源ランプ1から光を複数の光束に分割し、該複数の光束を後述する各液晶パネル上(各光変調素子上)で重ね合わせ、各液晶パネルを均一に照明する機能を有する。
図3には、色分解合成光学系βaの構成を示す。色分解合成光学系βaにおいて、60は青(B)と赤(R)の波長領域の光を反射し、緑(G)の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーである。61は透明基板に偏光素子を貼り付けて構成されたG用の入射側偏光板であり、P偏光のみを透過する。62はP偏光を透過し、S偏光を反射する第1の偏光ビームスプリッタであり、偏光分離面を有する。
63R,63G,63Bはそれぞれ、入射した光を画像変調するとともに反射する光変調素子としてのR用の反射型液晶パネル、G用の反射型液晶パネル及びB用の反射型液晶パネル(以下、単に液晶パネルという)であり、画像変調用の原画を表示する。64R,64G,64Bはそれぞれ、赤用の1/4波長板、緑用の1/4波長板及び青用の1/4波長板である。65aはRの色純度を高めるためにオレンジ光を光源ランプ1に戻すように作用するトリミングフィルタである。
65bは透明基板に偏光素子を貼り付けて構成されたRB用の入射側偏光板であり、P偏光のみを透過する。66はR光の偏光方向を90度変換し、B光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。67はP偏光を透過し、S偏光を反射する第2の偏光ビームスプリッタであり、偏光分離面を有する。
68BはB用の射出側偏光板であり、B光のうちS偏光のみを整流する。68GはS偏光のみを透過させるG用の射出側偏光板である。69はR光とB光を透過して、G光を反射するダイクロイックプリズムである。
このように構成された色分解合成光学系βaは、照明光学系αからの光を複数の色光(R光、G光及びB光)に分解して該複数の色光を複数の液晶パネル63R,63G,63Bに導く。さらに、該複数の液晶パネル63R,63G,63Bにて画像変調された複数の色光を合成して、投射レンズ2に導く。
なお、偏光変換素子53がP偏光をS偏光に変換すると述べたが、ここにいうP偏光とS偏光は偏光変換素子53を基準としたものである。一方、ダイクロイックミラー60に入射する光は第1及び第2の偏光ビームスプリッタ62,67を基準とし、P偏光が入射するものとする。すなわち、偏光変換素子53から射出される光はS偏光であるが、同じS偏光をダイクロイックミラー60に入射する光としてはP偏光という。
次に、光学作用について説明する。光源ランプ1の発光管から発した光はリフレクタにより所定の方向に集光されて平行光束となる。該平行光束は、第1のミラー50によってほぼ90度反射されて第1のシリンダアレイ51aに入射する。第1のシリンダアレイ51aに入射した光束は、複数のシリンドリカルレンズによって複数の光束に分割され、集光される。該複数の光束は、紫外線吸収フィルタ52及び第2のシリンダアレイ51bを経て、偏光変換素子53の近傍に複数の光源像を形成する。
偏光変換素子53は、それぞれ複数の偏光分離面と反射面と1/2波長板とを有し、上記複数の光束は、その列に対応した偏光分離面に入射して、該偏光分離面を透過するP偏光と該偏光分離面で反射されるS偏光とに分離される。偏光分離面で反射されたS偏光は反射面で反射して、P偏光と同じ方向に射出する。一方、偏光分離面を透過したP偏光は、1/2波長板によってS偏光に変換されて射出する。これにより、光源ランプ1からの無偏光光がS偏光である直線偏光として射出される。
偏光変換素子53からの複数の光束は、フロントコンプレッサ54を介して第3のシリンダアレイ51cに入射する。第3のシリンダアレイ51cに入射した各光束は、第3のシリンダアレイ51cの複数のシリンドリカルレンズによって複数の光束に分割されて集光され、該複数の光束は第4のシリンダアレイ51dを通過する。こうして水平方向及び垂直方向に分割された複数の光束は、コンデンサレンズ56及びリアコンプレッサ57に至る。
フロントコンプレッサ54、コンデンサレンズ56及びリアコンプレッサ57の光学作用により、複数の光束は互いに重ね合わせられる。これにより、強度が均一な矩形の照明エリアが形成される。この照明エリアには、各液晶パネルが配置される。
偏光変換素子53によりS偏光とされた光は、ダイクロイックミラー60に入射する。ダイクロイックミラー60は、前述したように、Bの波長領域(430〜495nm)の光とRの波長領域(590〜650nm)の光を反射し、Gの波長領域(505〜580nm)の光を透過する。
まず、Gの光路について説明する。ダイクロイックミラー60を透過したG光は、入射側偏光板61に入射する。G光は、ダイクロイックミラー60によって透過した後もP偏光(偏光変換素子53を基準とする場合はS偏光)となっている。
G光は、入射側偏光板61から射出した後、第1の偏光ビームスプリッタ62に対してP偏光として入射し、その偏光分離面を透過してG用の液晶パネル63Gに至る。G用の液晶パネル63Gにおいて、G光が画像変調されて反射される。画像変調されたG光のうちP偏光は、再び第1の偏光ビームスプリッタ62の偏光分離面を透過して光源ランプ側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたG光のうちS偏光は、第1の偏光ビームスプリッタ62の偏光分離面で反射され、投射光としてダイクロイックプリズム69に向かう。
第1の偏光ビームスプリッタ62で反射されたG光は、ダイクロイックプリズム69に対してS偏光として入射し、ダイクロイックプリズム69のダイクロイック面で反射されて投射レンズ2に至る。
一方、ダイクロイックミラー60で反射されたR光とB光は、トリミングフィルタ65aでオレンジ光をカットされた後、入射側偏光板65bに入射する。R光とB光は、ダイクロイックミラー60によって反射された後もP偏光となっている。入射側偏光板65bから射出したR光とB光は、色選択性位相差板66に入射する。
色選択性位相差板66は、R光の偏光方向のみを90度回転させる作用を有する。これにより。R光はS偏光として、B光はP偏光として射出し、第2の偏光ビームスプリッタ67に入射する。S偏光として第2の偏光ビームスプリッタ67に入射したR光は、第2の偏光ビームスプリッタ67の偏光分離面で反射され、R用の液晶パネル63Rに至る。また、P偏光として第2の偏光ビームスプリッタ67に入射したB光は、第2の偏光ビームスプリッタ67の偏光分離面を透過してB用の液晶パネル63Bに至る。
R用の液晶パネル63Rに入射したR光は、画像変調されて反射される。画像変調されたR光のうちS偏光は、再び第2の偏光ビームスプリッタ67の偏光分離面で反射されて光源ランプ側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたR光のうちP偏光は第2の偏光ビームスプリッタ67の偏光分離面を透過して、投射光としてダイクロイックプリズム69のダイクロイック面を透過して投射レンズ2に至る。
また、B用の液晶パネル63Bに入射したB光は画像変調されて反射される。画像変調されたB光のうちP偏光は、再び第2の偏光ビームスプリッタ67の偏光分離面を透過して光源ランプ側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたB光のうちS偏光は第2の偏光ビームスプリッタ67の偏光分離面で反射して、出射側偏光板68Bで検光された後、投射光としてダイクロイックプリズム69のダイクロイック面を透過して投射レンズ2に至る。
こうしてダイクロイックプリズム69により合成されたR光、G光及びB光は、投射レンズ2から射出した後、第2のミラー3によって反射されて被投射面に拡大投射される。
なお、図1は、画像投射装置100をその長手方向が上下に延びる(第2のミラー3が上側に、光源ランプ1が下側に配置される)縦置き状態で使用される様子を示している。この場合、図示はしないが、排気ファン6からの排気をスムーズに行わせるためのラック等の設置台を使用したり、排気ファン6からの排気を側方に導くダクトを設けたりするとよい。
図4には、図1に示す画像投射装置100がその長手方向が左右に延びる横置き状態で使用される様子を示す。
このように、本実施例によれば、縦置き状態でも横置き状態でも使用できる小型の画像投射装置を実現することができる。
また、図5には、図1の画像投射装置の変形例を示す。この変形例では、第2のミラー203を図1に示した第2のミラー3に対して反対方向に光を反射するように配置している。この場合も、前述した(1)〜(3)の配置条件を満足する。
さらに、図1に示した光源ランプ1の位置及び向きを図8及び図9に示すように変更してもよい。図1では、第1のミラー50の方向を向いた光源ランプ1からの光が直接第1のミラー50に入射する場合について説明したが、図8及び図9では、光源ランプ1からの光は、第3のミラー51で反射された後に第1のミラー50で反射されて照明光学系αに入射する。光源ランプ1からの光の射出方向は、入射光軸L1及び射出光軸L2(L2′)に平行である。これらの図に示す構成でも、上述した(1)〜(3)の配置条件を満たす。
図6には、本発明の実施例2である画像投射用光学系を用いた画像投射装置の構成を示す。実施例1では、反射型液晶パネルを用いた画像投射装置について説明したが、本実施例では、透過型液晶パネルを用いる。このため、色分解合成光学系βbの構成が実施例1の色分解合成光学系βaとは異なる。色分解合成光学系βb以外の構成要素は、実施例1と同様であるので、これらの構成要素には実施例1と同符号を付してその説明に代える。
図7を用いて、本実施例における色分解合成光学系βbの構成を説明する。照明光学系αにより分割された複数の光束は、第1ダイクロイックミラー360に入射し、該第1ダイクロイックミラー360で反射されるR光及びG光を含む光と、第1ダイクロイックミラー360を透過するB光とに分解される。G光及びR光を含む光は、第2ダイクロイックミラー370にて、ここで反射されるG光とこれを透過するR光とに分割される。
R光は、2枚のミラー371で反射され、さらにフィールドレンズ373Rを透過してR用の透過型液晶パネル(光変調素子:以下、単に液晶パネルという)363Rを照明する。R用液晶パネル363Rで画像変調されたR光は、色合成プリズム374で反射されて投射レンズ2に入射する。
また、G光は、フィールドレンズ373Gを透過してG用の透過型液晶パネル363Gを照明する。G用の液晶パネル363Gで画像変調されたG光は、色合成プリズム374を透過して投射レンズ2に入射する。
B光は、ミラー372で反射され、フィールドレンズ373Bを透過してB用の透過型液晶パネル363Bを照明する。B用の液晶パネル363Bで画像変調されたB光は、色合成プリズム374で反射されて投射レンズ2に入射する。
こうして色合成プリズム374で合成された、3つの液晶パネル363R,363G,363Bからの光は、投射レンズ2から射出した後、第2のミラー3により反射されて被投射面に拡大投射される。
本実施例でも、実施例1で説明した(1)〜(3)の配置条件を満たす。これにより、画像投射用光学系を、入射光軸L1と射出光軸L2の方向に長く、該方向に対して直交する断面でのサイズが小さい細長い形状にまとめることができる。
ただし、本実施例では、色分解合成光学系βbの上記断面でのサイズが実施例1の色分解合成光学系βaよりも大きくなる。このため、第1及び第2の電源ユニット4,5をそれぞれ、光源ランプ1と第2のミラー3との間のうち光源ランプ1と色分解合成光学系βbとの間及び色分解合成光学系βbと第2のミラー3との間に分けて配置する。これにより、筐体300の長手方向に直交する断面のサイズを色分解合成光学系βbに比べてあまり大きくすること必要がない。したがって、本実施例でも、筐体300を長手方向に細長い四角柱形状に形成することができる。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
例えば、上記各実施例では、光変調素子として、反射型及び透過型の液晶パネルを用いた場合について説明したが、これらに代えて、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を用いてもよい。
本発明の実施例1である画像投射用光学系を用いた画像投射装置の構成を示す図。 実施例1の画像投射用光学系のうち照明光学系の構成を示す図。 実施例1の画像投射用光学系のうち色分解合成光学系の構成を示す図。 実施例1の画像投射装置を横置きした状態を示す図。 実施例1の変形例を示す図。 本発明の実施例2である画像投射用光学系を用いた画像投射装置の構成を示す図。 実施例2の画像投射用光学系のうち色分解合成光学系の構成を示す図。 実施例1の他の変形例を示す図。 実施例1のさらに別の変形例を示す図。
符号の説明
1 光源ランプ
2 投射レンズ
3 第2のミラー
50 第1のミラー
4 第1の電源ユニット
5 第2の電源ユニット
6 排気ファン
7 排気口
53 偏光変換素子
63R,63G,63B 反射型液晶パネル
100,300 筐体
363R,363G,363B 透過型液晶パネル
L1 入射光軸
L2 射出光軸

Claims (6)

  1. 入射した光を画像変調する複数の光変調素子と、
    光源ランプからの光を複数の光束に分割し、該複数の光束を前記各光変調素子上で重ね合わせる照明光学系と、
    前記照明光学系からの光を複数の色光に分解して該複数の色光を前記複数の光変調素子に導き、該複数の光変調素子にて変調された前記複数の色光を合成する色分解合成光学系と、
    該色分解合成光学系にて合成された光を被投射面に投射する投射レンズと、
    前記光源ランプからの光を前記照明光学系に向けて反射する第1の反射部材と、
    前記投射レンズからの光を前記被投射面に向けて反射する第2の反射部材とを有し、
    前記照明光学系から前記色分解合成光学系への入射光軸と前記色分解合成光学系から前記投射レンズへの射出光軸の延長線とが互いに離間した位置にて互いに平行に延び、
    前記射出光軸の延長線上に、前記光源ランプの少なくとも一部が配置され、
    前記光源ランプから前記第1の反射部材への光の入射方向と前記第2の反射部材から前記被投射面への光の射出方向とが互いに平行であることを特徴とする画像投射用光学系。
  2. 前記光源ランプからの光の射出方向が、前記入射光軸に対して直交する方向であることを特徴とする請求項1に記載の画像投射用光学系。
  3. 前記光源ランプを冷却するファンが、該ファンの回転軸が前記入射光軸と前記射出光軸に対して平行となるように配置されていることを特徴とする請求項2に記載の画像投射用光学系。
  4. 請求項1から3のいずれか1つに記載の画像投射用光学系と、
    該画像投射用光学系を収容する筐体とを有することを特徴とする画像投射装置。
  5. 前記筐体の内部における前記光源ランプと前記第2の反射部材との間に、電源ユニットが前記入射光軸と前記射出光軸に対して平行に、かつ該筐体と前記色分解合成光学系および前記投射レンズのうち少なくとも一方に沿うように配置されていることを特徴とする請求項4に記載の画像投射装置。
  6. 前記筐体が、前記入射光軸と前記射出光軸の方向を長手方向とする四角柱形状を有することを特徴とする請求項4又は5に記載の画像投射装置。
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