JP2010210985A

JP2010210985A - プロジェクター

Info

Publication number: JP2010210985A
Application number: JP2009057508A
Authority: JP
Inventors: Hidetoki Morikuni; 栄時守国
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】製造コストおよび装置の大型化を抑えつつ、輝度ダイナミックレンジを広げることのできるプロジェクターを提供すること。
【解決手段】本発明のプロジェクター１は、被照射面に画像を表示させるプロジェクター１であって、光源部と、光源部から射出された光を画像信号に応じて変調する第１光変調素子と、第１光変調素子で変調された光を屈折させる第１光学系４と、第１光学系４で屈折された光を反射して広角化させる少なくとも１つの凹面ミラー３１を備える第２光学系６と、第１光学系４と第２光学系６との間に配置され、被照射面に表示される画像の輝度を制御する第２光変調素子８と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プロジェクター、特に輝度制御を行うプロジェクターの技術に関する。

従来、プロジェクターによる表示画像の迫力を増すために、輝度ダイナミックレンジを広げることが行われている。例えば、投写レンズの手前に中間像を結像するためのリレー光学系を配置し、その中間像部分に輝度制御用の光変調素子を配置する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。リレー光学系と投写レンズの間に配置された光変調素子によって輝度制御を行うことで、輝度ダイナミックレンジを広げている。

特開２００５−２５０４４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示のものは、中間像を結像するためのリレー光学系を設けているため、プロジェクターの製造コストが増加してしまう。また、中間像を結像するためのリレー光学系を設けることでレンズ長が増加し、装置が大型化してしまう。また、近年の画像の高精細化に対応するために解像力の高いリレー光学系を用いれば、さらなるコスト増加および装置の大型化を招いてしまう。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、製造コストおよび装置の大型化を抑えつつ、輝度ダイナミックレンジを広げることのできるプロジェクターを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被照射面に画像を表示させるプロジェクターであって、光源部と、光源部から射出された光を画像信号に応じて変調する第１光変調素子と、第１光変調素子で変調された光を屈折させる第１光学系と、第１光学系で屈折された光を反射して広角化させる少なくとも１つの凹面ミラーを備える第２光学系と、第１光学系と第２光学系との間に配置され、被照射面に表示される画像の輝度を制御する第２光変調素子と、を有する。

第１光学系で屈折された光を、凹面ミラーで反射して広角化させる場合には、第１光学系と第２光学系との間に中間像が結像される。したがって、第１光学系と第２光学系の間に第２変調素子を配置することで、中間像を結像させるためのリレー光学系を設けずに、画像の輝度を制御することができる。これにより、製造コストおよび装置の大型化を抑えつつ、輝度ダイナミックレンジを広げることのできるプロジェクターを得ることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２光変調素子は、中間像が結像される位置に配置されることが望ましい。中間像が結像される位置に第２光変調素子を配置することで、画素ごとの輝度制御が可能となる。これにより、より細かく高精細な輝度制御が可能となる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２光変調素子は、中間像が結像される位置の近傍に配置されることが望ましい。この場合、画素ごとの輝度制御ではなく、各画素に対してその周辺を含む所定のエリアごとの輝度制御を行うことができる。これにより、輝度が細かく変化した不自然な状況を生み出すことがなくなり、自然に近い滑らかな輝度制御が可能になる。また、中間像が結像される位置に第２変調素子を配置する場合に比べて、要求される取り付け位置の精度を抑えることができ、製造コストを抑えることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２光変調素子は、光の入射面における複数の光束のスポット径の差が、光軸に対して垂直な面における複数の光束のスポット径の差よりも小さくなるような角度で配置されていることが望ましい。光を屈折させる第１光学系には、光軸に平行な主光線を中心として一定の広がりを有する複数の光束が入射する。これら光束は第１光学系で屈折されることで、光束ごとに広がり方や進行方向が変化して、光束の幅であるスポット径が様々に変化する。第２変調素子を、光束のスポット径の差が小さくなるような角度で配置することで、画像制御を行うエリアのサイズ差を小さくすることができる。これにより、画像全体を略均一にエリア分けして輝度制御を行うことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２光変調素子は、入射面における複数の光束のスポット径が略同一となるような角度で配置されていることが望ましい。第２光変調素子を、複数の光束のスポット径が略同一となるような角度で配置することで、画像制御を行うエリア同士のサイズが均一化され、画像全体をより一層均一にエリア分けして輝度制御を行うことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２光変調素子は、透過型変調素子であることが望ましい。第１光変調素子に透過型変調素子を採用した場合に、同じ構成を持つパネルを第２光変調素子として使用することができるので、部品の共通化によるコスト抑制を図ることができる。また、各光変調素子を制御するためのドライバ回路を共通化することができるので、より一層のコスト抑制を図ることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、第２光変調装置は、反射型変調素子であることが望ましい。第２光変調素子が反射型変調素子であるので、第１光学系と第２光学系との間で光路を折り曲げることができる。光路を折り曲げることで装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施例１に係るプロジェクターの使用状態を示す斜視図。プロジェクター内部の概略構成を示す横断面図。投写光学部の概略構成を示す図。像形成光学部の概略構成を示す図。本実施例１の変形例１に係るプロジェクターが備える投写光学部の部分拡大図。本実施例１の変形例２に係るプロジェクターが備える投写光学部の部分拡大図。輝度制御用光変調素子の配置された角度を説明するための部分拡大図。本発明の実施例２に係るプロジェクターの外観斜視図。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るプロジェクターの使用状態を示す斜視図である。図２は、プロジェクター内部の概略構成を示す横断面図である。プロジェクター１はスクリーンに投写光を投写して画像を表示させるフロント投写型のプロジェクターである。観察者はスクリーンに表示された画像を観察する。プロジェクター１は、スクリーン１０に近い位置から広角化された投写光を投写して画像を表示させる近接投写型のプロジェクターである。

スクリーン１０は、反射型投影板であり、表側のスクリーン投写面（被照射面）１０ａに入射した入射光を拡散反射することにより画像を表示する。なお、スクリーン投写面１０ａの法線に沿う軸をＺ軸とする。Ｚ軸と直交し互いに垂直に交わる軸をＸ軸及びＹ軸とする。

プロジェクター１は、筐体２、投写光学部５０、像形成光学部６０を有して大略構成される。投写光学部５０、像形成光学部６０は、筐体２の内部に備えられる。筐体２には、投写光学部５０から投写された投写光を外部に射出させるための開口部２ａが形成されている。

投写光学部５０は、物面ＯＳ上の画像をスクリーン１０のスクリーン投写面１０ａ上に拡大投写するためのものである。投写光学部５０は、屈折光学系（第１光学系）４、反射光学系（第２光学系）６、輝度制御用光変調素子（第２光変調素子）８を有して構成される。屈折光学系４は、複数のレンズで構成され、反射光学系６は、少なくとも１つの凹面ミラーを備える。

図３は、投写光学部５０の概略構成を示す図である。屈折光学系４は、図２のスクリーン１０の下方において、スクリーン投写面１０ａに対して垂直に延びる光軸ＯＡに沿って配置された複数の屈折レンズで構成される。各レンズは、物面ＯＳ側から反射光学系６に向かって配列されている。各レンズは、光軸ＯＡに対し回転対称になっている。なお、各レンズの全部または一部が非回転対称になっていても構わない。各レンズの配置は、反射光学系６等の形状や配置との関係でスクリーン１０に最適な投写ができるように調整されている。なお、光軸ＯＡは、スクリーン投写面１０ａに対して垂直に延びる場合に限られない。また、各レンズの一部、またはすべての光軸が同一でなくても構わない。

物面ＯＳ上の各物点からは、物面ＯＳに垂直で光軸ＯＡに平行な主光線を中心として一定の広がりを有する複数の光束が射出される。物面ＯＳから射出した光束は、屈折光学系４を通過する際に屈折されて、光軸ＯＡよりも下側方向に向かう。屈折光学系４を通過した光は、光軸ＯＡよりも下側に設けられている反射光学系６で反射され、放射状の投写光としてスクリーン１０に投写される。

反射光学系６は、１枚の凹面ミラー３１で構成される。この凹面ミラー３１は、光軸ＯＡを軸とする回転対称面で構成され、反射面が凹面形状となっている。凹面ミラー３１は、光軸ＯＡの下側すなわち光軸ＯＡを挟んだスクリーン１０の反対側部分で光を反射させる。凹面ミラー３１は、屈折光学系４を通過した光束を、スクリーン１０のスクリーン投写面１０ａに向けて反射させる。

屈折光学系４を通過した光束は、凹面反射ミラーである凹面ミラー３１によって、一旦収束してその後拡散するように反射される。すなわち、凹面ミラー３１は、投写光を広角化させる機能を発揮する。このように、凹面ミラー３１で投写光を広角化させるプロジェクターでは、屈折光学系４を通過した光が、反射光学系６に入射する手前で中間像５５を結像する。

輝度制御用光変調素子８は、透過型変調素子であり、例えば、液晶パネルである。本実施例１では、輝度制御用光変調素子８は、屈折光学系４と反射光学系６との間の光路上に、光の入射面が光軸ＯＡに対して垂直となるように配置されている。また、輝度制御用光変調素子８は、屈折光学系４側からみて、中間像５５よりも手前となる位置に配置されている。輝度制御用光変調素子８は、入射した光を画像信号に応じて変調して、中間像５５の輝度を制御する。

次に、像形成光学部６０について説明する。図４は、像形成光学部６０の概略構成を示す図である。発光管７０は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光を含む光を射出する光源部であり、例えば、超高圧水銀ランプである。

第１インテグレータレンズ７１及び第２インテグレータレンズ７２は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する。第１インテグレータレンズ７１は、発光管７０からの光束を複数に分割する。第１インテグレータレンズ７１の各レンズ素子は、発光管７０からの光束を第２インテグレータレンズ７２のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレータレンズ７２のレンズ素子は、第１インテグレータレンズ７１のレンズ素子の像を空間光変調装置上に形成する。

２つのインテグレータレンズ７１、７２を経た光は、偏光変換素子７３にて特定の振動方向の直線偏光に変換される。重畳レンズ７４は、第１インテグレータレンズ７１の各レンズ素子の像を空間光変調装置上で重畳させる。第１インテグレータレンズ７１、第２インテグレータレンズ７２及び重畳レンズ７４は、発光管７０からの光の強度分布を空間光変調装置上にて均一化させる。重畳レンズ７４からの光は、第１ダイクロイックミラー７５に入射する。第１ダイクロイックミラー７５は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー７５で反射したＲ光は、第１ダイクロイックミラー７５、反射ミラー７６でそれぞれ光路が折り曲げられ、Ｒ光用フィールドレンズ７７Ｒへ入射する。Ｒ光用フィールドレンズ７７Ｒは、反射ミラー７６からのＲ光を平行化し、Ｒ光用空間光変調装置１４Ｒへ入射させる。

Ｒ光用空間光変調装置１４Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置である。Ｒ光用空間光変調装置１４Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム８０へ入射する。

第１ダイクロイックミラー７５を透過したＧ光及びＢ光は、第２ダイクロイックミラー８１へ入射する。第２ダイクロイックミラー８１は、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー８１で反射したＧ光は、第２ダイクロイックミラー８１で光路が折り曲げられ、Ｇ光用フィールドレンズ７７Ｇへ入射する。Ｇ光用フィールドレンズ７７Ｇは、第２ダイクロイックミラー８１からのＧ光を平行化し、Ｇ光用空間光変調装置１４Ｇへ入射させる。Ｇ光用空間光変調装置１４Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置である。Ｇ光用空間光変調装置１４Ｇで変調されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム８０のうちＲ光が入射した面とは異なる面へ入射する。なお、各光用空間光変調装置１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂは、透過型変調素子であり、例えば、液晶パネルである。

第２ダイクロイックミラー８１を透過したＢ光は、リレーレンズ８２を透過した後、反射ミラー８３での反射により光路が折り曲げられる。反射ミラー８３からのＢ光は、さらにリレーレンズ８４を透過した後、反射ミラー８５での反射により光路が折り曲げられ、Ｂ光用フィールドレンズ７７Ｂへ入射する。Ｒ光の光路及びＧ光の光路よりもＢ光の光路が長いことから、空間光変調装置における照明倍率を他の色光と等しくするために、Ｂ光の光路には、リレーレンズ８２、８４を用いるリレー光学系が採用されている。

Ｂ光用フィールドレンズ７７Ｂは、反射ミラー８５からのＢ光を平行化し、Ｂ光用空間光変調装置１４Ｂへ入射させる。Ｂ光用空間光変調装置１４Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置である。Ｂ光用空間光変調装置１４Ｂで変調されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム８０のうちＲ光が入射する面、Ｇ光が入射する面とは異なる面へ入射する。

クロスダイクロイックプリズム８０は、互いに略直交するように配置された２つのダイクロイック膜８６、８７を有する。第１ダイクロイック膜８６は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜８７は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム８０は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写光学部５０の方向へ射出する。クロスダイクロイックプリズム８０から射出された像光は、投写光学部５０の屈折光学系４等を経て投写される。

このように、各光用空間光変調素子１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂで変調された光を、輝度制御用光変調素子で変調して輝度を変化させるので、スクリーン１０に表示される画像の輝度ダイナミックレンジを広げ、迫力ある画像を提供することができる。また、凹面ミラー３１で投写光を広角化させるプロジェクター１では、屈折光学系４を通過した光が、反射光学系６に入射する手前で中間像５５を結像するので、中間像５５を結像するためのリレー光学系を別途設ける必要がない。したがって、製造コストおよび装置の大型化を抑えつつ輝度ダイナミックレンジを広げることができる。

なお、本実施例１では、フロント投写方式のプロジェクターとして説明したが、もちろんリア投写方式のプロジェクターであっても構わない。

図５は、本実施例１の変形例１に係るプロジェクターが備える投写光学部５０の部分拡大図である。なお、図５では、屈折光学系４内を通過する光の光路の記載は省略している。上述した構成と同様の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本変形例１では、輝度制御用光変調素子８が、中間像５５が結像される位置に配置される。より具体的には、輝度制御用光変調素子８における光の入射面８ａの位置が、中間像５５の結像される位置となるように配置される。また、輝度制御用光変調素子８は、各光用空間光変調素子１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂと同じ画素数となっている。

このように、中間像５５が結像される位置に、各光用空間光変調素子１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂと同じ画素数の輝度制御用光変調素子８を配置すれば、各光用空間光変調素子１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂで変調された画素ごとに輝度制御用光変調素子８で再度の輝度制御が可能となる。これにより、より細かく高精細な輝度制御が可能となる。

なお、輝度制御用光変調素子８を、中間像５５が結像される位置の近傍に配置してもよい。この場合、画素ごとの輝度制御ではなく、各画素に対してその周辺を含む所定のエリアごとの輝度制御を行うことができる。これにより、輝度が細かく変化した不自然な状況を生み出すことがなくなり、自然に近い滑らかな輝度制御が可能になる。また、中間像５５が結像される位置に配置する場合に比べて、要求される取り付け位置の精度を抑えることができるので、製造コストを抑えることができる。

また、各光用空間光変調装置１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂは、透過型変調素子であり、輝度制御用光変調素子８も透過型変調素子であるので、例えば、各光用空間光変調装置１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂおよび輝度制御用光変調素子８に同じ液晶パネルを用いて、部品の共通化によるコスト抑制を図ることができる。各光用空間光変調装置１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂおよび輝度制御用光変調素子８に同じ液晶パネルを用いれば、制御用のドライバ回路も共通化できるので、より一層のコスト抑制を図ることができる。

また、輝度制御用光変調素子８の画素数を、各光用空間光変調素子１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの画素数よりも少なくしてもよい。画素数を少なくすることで、輝度制御用光変調素子８のコストを抑えて、プロジェクター１の製造コストを抑えることができる。この場合、画素ごとの輝度制御ではなく、所定のエリアごとの輝度制御を行うことができる。

図６は、本実施例１の変形例２に係るプロジェクターが備える投写光学部５０の部分拡大図である。なお、図６では、屈折光学系４内を通過する光の光路の記載は省略している。上述した構成と同様の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本変形例２では、輝度制御用光変調素子８は、入射面８ａにおける複数の光束のスポット径の差が、光軸に対して垂直な面における複数の光束のスポット径の差よりも小さくなるような角度で配置されている。図７は、輝度制御用光変調素子８の配置された角度を説明するための部分拡大図である。輝度制御用光変調素子８は、入射面８ａに入射する光束の幅（スポット径）ｗ１〜ｗ４の差が、図３のように輝度制御用光変調素子８を光軸ＯＡに垂直に配置した場合の光束の幅の差よりも小さくなるような角度で配置される。特に本変形例２では、光束の幅ｗ１〜ｗ４が略同一となるような角度で配置されている。このような角度で輝度制御用光変調素子８を配置することで、画像制御を行うエリア同士のサイズが均一化され、画像全体を均一にエリア分けして輝度制御を行うことができる。

図８は、本発明の実施例２に係るプロジェクター１０１の外観斜視図である。実施例１と同様の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本実施例２に係るプロジェクター１０１は、実施例１と同様に、屈折光学系４と反射光学系６との間に輝度制御用光変調素子１０８が配置されている。なお、輝度制御用光変調素子１０８は、中間像の近傍に配置されている。

本実施例２では、輝度制御用光変調素子１０８として反射型変調素子を用いる。反射型変調素子としては、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いる。輝度制御用光変調素子１０８として反射型変調素子を用いることで、光軸ＯＡを折り曲げてスクリーン投写面１０ａと略平行にすることができる。屈折光学系４を構成する各レンズは光軸ＯＡに沿って配置されるので、輝度制御用光変調素子１０８として反射型変調素子を用いることで、投写光学部５０をＺ軸方向においてコンパクト化することができる。これにより、プロジェクター１０１もＺ軸方向においてコンパクト化することができる。

例えば、実施例１のように反射型変調素子を用いない場合には、投写光学部５０がＺ軸方向に大型化して、スクリーン１０の下部にまでプロジェクター１が入り込んでしまう場合がある。このような場合には、スクリーン１０の下部にプロジェクター１を配置するスペースが必要となってしまい、プロジェクター１の使用場所に制限が生じる。本実施例２のように、輝度制御用光変調素子１０８として反射型変調素子を用いることで、プロジェクター１０１をＺ軸方向においてコンパクト化すれば、プロジェクター１０１の使用場所の制限を緩和することができる。また、実施例１と同様に、輝度制御用光変調素子１０８によって、スクリーン１０に表示される画像の輝度ダイナミックレンジを広げて、迫力ある画像を提供することができる。

なお、輝度制御用光変調素子１０８を、中間像が結像される位置に配置してもよいし、光束のスポット径の差が小さくなるような角度で配置してもよい。

１，１０１プロジェクター、２筐体、２ａ開口部、４屈折光学系（第１光学系）、６反射光学系（第２光学系）、８，１０８輝度制御用光変調素子（第２光変調素子）、８ａ入射面、１０スクリーン、１０ａスクリーン投写面（被照射面）、１４ＲＲ光用空間光変調素子（第１光変調素子）、１４ＧＧ光用空間光変調素子（第１光変調素子）、１４ＢＢ光用空間光変調素子（第１光変調素子）、３１凹面ミラー、５０投写光学部、５５中間像、６０像形成光学部、７０中間像、７１第１インテグレータレンズ、７２第２インテグレータレンズ、７３偏光変換素子、７４重畳レンズ、７５第１ダイクロイックミラー、７６反射ミラー、７７ＲＲ光用フィールドレンズ、７７ＧＧ光用フィールドレンズ、７７ＢＢ光用フィールドレンズ、８０クロスダイクロイックプリズム、８１第２ダイクロイックミラー、８２リレーレンズ、８３反射ミラー、８４リレーレンズ、８５反射ミラー、８６第１ダイクロイック膜、８７第２ダイクロイック膜

Claims

被照射面に画像を表示させるプロジェクターであって、
光源部と、
前記光源部から射出された光を画像信号に応じて変調する第１光変調素子と、
前記第１光変調素子で変調された光を屈折させる第１光学系と、
前記第１光学系で屈折された光を反射して広角化させる少なくとも１つの凹面ミラーを備える第２光学系と、
前記第１光学系と前記第２光学系との間に配置され、前記被照射面に表示される画像の輝度を制御する第２光変調素子と、を有することを特徴とするプロジェクター。
前記第２光変調素子は、中間像が結像される位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
前記第２光変調素子は、中間像が結像される位置の近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
前記第２光変調素子は、光の入射面における複数の光束のスポット径の差が、光軸に対して垂直な面における複数の光束のスポット径の差よりも小さくなるような角度で配置されていることを特徴とする請求項３に記載のプロジェクター。
前記第２光変調素子は、前記入射面における複数の光束のスポット径が略同一となるような角度で配置されていることを特徴とする請求項４に記載のプロジェクター。
前記第２光変調素子は、透過型変調素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプロジェクター。
前記第２光変調装置は、反射型変調素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプロジェクター。