JP2011154159A5

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Publication number: JP2011154159A5
Application number: JP2010015140A
Authority: JP
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-12-01

Description

画像投射装置

本発明は、プロジェクタ等の画像投射装置に関し、特に投射光学系の自動焦点調節（ＡＦ）機能を有する画像投射装置に関する。

プロジェクタは、光源からの光を液晶パネル等の光変調素子により変調して投射光学系（投射レンズ）によりスクリーン等の被投射面に投射することで画像を表示する。このようなプロジェクタには、被投射面までの距離（投射距離）にかかわらずピントの合った画像を表示するために、投射光学系の焦点を自動的に調節するＡＦ機能を有するものがある。

特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、投射レンズと液晶パネルとの間の光路中にハーフミラーを配置し、被投射面に投射された画像（投射画像）を該ハーフミラーを介して撮像素子で撮像し、その撮像出力に基づいてＡＦを行う。

また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、被投射面への画像投射光のうち被投射面で反射して投射光学系を通って入射した光を、液晶パネルの液晶セル間に配置したフォトセンサで受光し、その受光量が最小となるようにＡＦを行う。

特許第２９１９５８５号公報特開平５−１９７０１４号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、ハーフミラーから撮像素子に光を導く光路を形成するために専用の光学部材が必要であるため、プロジェクタが大型化する。しかも、特許文献１には、ハーフミラーがＡＦを行うとき以外は該光路から退避するとも説明されている。この場合、ハーフミラーの退避スペースを確保する必要があるため、益々プロジェクタが大型化する。

また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、液晶セル間にフォトセンサを配置した特殊な液晶パネルを使用しているので、通常の液晶パネルと比べて開口率が低下する。この結果、投射画像の明るさが低下するといったプロジェクタの基本性能の劣化が生ずる。開口率を確保するためには、解像度を低下させるか液晶パネルを大型化する必要があるが、いずれも高解像度で小型のプロジェクタの実現を妨げる。

本発明は、大型化や明るさおよび解像度の低下を回避しつつ良好なＡＦを行える画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての画像投射装置は、光源からの光を複数色の光に分解して複数の光変調素子に導き、該複数の光変調素子によって変調された複数色の光を合成する色分解合成ユニットと、該色分解合成ユニットによって合成された投射光により形成される画像を被投射面に投射する投射光学系と、前記被投射面に投射された前記画像を撮像する撮像素子と、該撮像素子からの出力を用いて前記投射光学系の自動焦点調節を行うコントローラとを有し、前記色分解合成ユニットは、前記複数色の光のうちいずれかが透過又は反射する光学膜面と、前記複数色の光のいずれも透過又は反射しない非有効面と、を有する光学素子を有し、前記撮像素子は、前記非有効面に対向するように配置され、前記投射光のうち前記被投射面で反射した光であって前記投射光学系を通って前記色分解合成ユニットに入射し、前記光学膜面で透過又は反射して前記非有効面から射出した検出光を用いて前記画像を撮像し、前記光変調素子および前記撮像素子はそれぞれ、前記光学素子に同一の取付方法によって取り付けられた同一構造を有する保持部材によって保持されていることを特徴とする。

本発明によれば、被投射面からの反射光を撮像素子に導く光路を形成するために専用の光学部材を設けたり、特殊な液晶パネルを用いたりすることなく、撮像素子の出力に基づくＡＦを行うことができる。すなわち、画像投射装置を大型化したり投射画像の明るさおよび解像度を低下させたりすることなく、ＡＦが可能な画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１である液晶プロジェクタの外観図。実施例１の液晶プロジェクタの光学構成を示す側面図。実施例１の色分解合成ユニットを示す分解斜視図。実施例１における第１の偏光ビームスプリッタの特性図実施例１における第３の偏光ビームスプリッタの特性図実施例１におけるＲ光の光路図。実施例２におけるＲ光の光路図。

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である液晶プロジェクタ（画像投射装置）を示している。３００はプロジェクタの筐体であり、１００は投射レンズ（投射光学系）である。

図２には、プロジェクタの光学構成を示している。２０９は光源ランプであり、２０１は照明光学系である。照明光学系２０１は、光源ランプ２０９からの照明光を複数の光束に分割した後、後述する液晶パネル上で重ね合わせるための操作を行うレンズや、照明光を所定の偏光方向を有する偏光光に変換する偏光変換素子等を含む。また、光路を折り曲げるミラーも照明光学系２０１に含まれる。

照明光学系２０１から射出した光（複数の光束）は、色分解合成ユニット２００に入射する。なお、図３には、色分解合成ユニット２００を分解して示している。

色分解合成ユニット２００は、ダイクロイックミラー２０４および第１〜第３の偏光ビームスプリッタ（光学素子）２０５ａ〜２０５ｃ等により構成される。色分解合成ユニット２００は、照明光学系２０１からの光を複数色の光に分解して、後述する複数の光変調素子である３つの反射型液晶パネルに導く。さらに、色分解合成ユニット２００は、３つの反射型液晶パネルにて画像変調された複数色の光を合成する。

ダイクロイックミラー２０４は、照明光学系２０１（光源ランプ２０９）からの白色光のうち青（Ｂ）光と赤（Ｒ）光を反射して、緑（Ｇ）光を透過する。第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａは、図４にその特性を示すように、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射する偏光分離面（光学膜面）を有するプリズムである。偏光分離面は、多層膜としての偏光分離膜が形成された面である。

２０６Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂはそれぞれ、入射した光を反射するとともに画像変調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およびＢ用の反射型液晶パネルである。各液晶パネルには、１／４波長板が取り付けられている。

第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａと第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃとの間には、Ｓ偏光を透過するＧ用の射出側偏光板と、Ｒ光の偏光方向を９０度変更し、Ｇ光の偏光方向は変更しないＧ用の色選択性位相差板２１１が配置されている。

ダイクロイックミラー２０４と第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂとの間には、Ｐ偏光のみを透過するＲＢ用の入射側偏光板と、Ｒ光の偏光方向を９０度変更し、Ｂ光の偏光方向は変更しないＲ用の色選択性位相差板が配置されている。

第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂは、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａと同様に、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射する偏光分離面（光学膜面）を有するプリズムである。

第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂと第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃとの間には、Ｂ用の射出側偏光板が配置されている。該Ｂ用の射出側偏光板は、Ｂ光についてはＳ偏光のみを透過し、Ｒ光は偏光方向に関係なく透過する特性を有する。

第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃは、図５に示すように、Ｂ光を透過してＧ光を反射するダイクロイックミラーとして機能するとともに、Ｒ光についてはＰ偏光を透過してＳ偏光を反射する色選択性の偏光分離面（光学膜面）を有するプリズムである。

各偏光ビームスプリッタにおいて、各液晶パネルに向かう光（照明光）および各液晶パネルから投射レンズ１００に向かう光（変調光）が透過又は反射する偏光分離面は、色分解合成ユニット２００において画像投射に関する光学有効面である。また、第１〜第３の偏光ビームスプリッタ２０５ａ〜２０５ｃを構成するプリズムの外面のうち、上記照明光や変調光が透過する面も、画像投射に関する光学有効面である。これに対して、プリズムの外面のうち上記照明光（複数色の光）や変調光が透過しない面は、画像投射に関しては非有効面である。

図３に示すように、Ｇ用の液晶パネル２０６Ｇは、上下２つの保持部材２０８によって保持される。該２つの保持部材２０８は、Ｇ用の液晶パネル２０６Ｇが第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａのプリズムの１つの外面（光学有効面）に対向して配置されるように、該プリズムに接着により固定される。このとき、保持部材２０８は、Ｇ用の液晶パネル２０６Ｇを対向させるプリズムの外面に対して直交する方向から近づけられ、該保持部材２０８の脚部をプリズムに接着することで、該プリズムに固定される。

Ｒ用およびＢ用の液晶パネル２０６Ｒ，２０６Ｂはそれぞれ、上下２つの保持部材２０８によって保持される。これらの保持部材２０８は、Ｒ用およびＢ用の液晶パネル２０６Ｒ，２０６Ｂが第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂのプリズムの２つの外面（光学有効面）に対向して配置されるように、該プリズムに接着により固定される。このときの保持部材２０８の第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂのプリズムに対する固定方法は、Ｇ用の液晶パネル２０６Ｇを保持する保持部材２０８と同じである。

２０７はＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子としての撮像素子である。該撮像素子２０７は、各液晶パネルを保持する保持部材２０８と同一構造を有する保持部材２０８′により保持される。同一構造とは、形状、寸法および撮像素子２０７の保持の仕方が同一であることを意味する。

そして、保持部材２０８′は、各液晶パネルを保持する保持部材２０８と同一の固定方法（取付方法）により、撮像素子２０７が第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａのプリズムにおける光学有効面以外の１つの外面（非有効面）に対向して配置されるように該プリズムに固定される。ここにいう同一の固定方法とは、保持部材２０８′を撮像素子２０７を対向させるプリズムの外面に直交する方向（同一の方向）から近づけて、保持部材２０８′の脚部をプリズムに接着することを意味する。

次に、色分解合成ユニット２００の光学的な作用について説明する。照明光学系２０１のダイクロイックミラー２０４を透過したＧ光は、Ｇ用の入射側偏光板２１５を透過して第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａに入射し、そのうちＰ偏光が偏光分離面を透過してＧ用の液晶パネル２０６Ｇに至る。Ｇ用の液晶パネル２０６Ｇで反射および画像変調されたＧ光のうちＰ偏光は、再び第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａの偏光分離面を透過して光源側に戻され、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（変調光）は、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａの偏光分離面で反射し、Ｇ用の射出側偏光板と色選択性位相差板２１１を透過して、投射光として第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃに向かう。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａとＧ用の液晶パネル２０６Ｇとの間に設けられた１／４波長板の遅相軸の方向が調整される。これにより、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａとＧ用の液晶パネル２０６Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。

第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａから射出したＧ光（Ｓ偏光）は、Ｇ用の射出側偏光板で検光され、第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃの偏光分離面で反射されて投射レンズ１００に導かれる。

一方、ダイクロイックミラー２０４で反射されたＲ光とＢ光は、入射側偏光板に入射する。そしてＲとＢの光は、ＲＢ用の入射側偏光板を透過した後、Ｒ用の色選択性位相差板に入射する。Ｒ用の色選択性位相差板によって偏光方向が９０度変更されたＲ光はＳ偏光として、偏光方向が変更されないＢ光はＰ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂに入射する。

Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂに入射したＲ光は、その偏光分離面で反射され、Ｒ用の液晶パネル２０６Ｒに至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂに入射したＢ光は、その偏光分離面を透過してＢ用の液晶パネル２０６Ｂに至る。

Ｒ用の液晶パネル２０６Ｒにて反射されるとともに画像変調されたＲ光のうちＳ偏光は、再び第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂの偏光分離面で反射されて光源側に戻され、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（変調光）は、第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂの偏光分離面を透過し、Ｂ用の射出側偏光板をＰ偏光のまま通過して、投射光として第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃに向かう。

また、Ｂ用の液晶パネル２０６Ｂにて反射されるとともに画像変調されたＢ光のうちＰ偏光は、再び第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂの偏光分離面を透過して光源側に戻され、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（変調光）は、第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂの偏光分離面で反射して、Ｂ用の射出側偏光板で検光されて投射光として第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃに向かう。

第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂとＲ，Ｂ用の液晶パネル２０６Ｒ，２０６Ｂの間の１／４波長板の遅相軸の方向を調整することで、第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂと液晶パネル２０６Ｒ，２０６Ｂで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えられる。

Ｐ偏光であるＲ光とＳ偏光であるＢ光は、第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃの偏光分離面を透過することで、Ｇ光と合成されて投射レンズ１００に導かれる。投射レンズ１００は、こうして１つの光に合成された投射光を、スクリーン等の被投射面に拡大投射する。

図６には、照明光学系２０１からの光を色分解合成ユニット２００で色分解および画像変調し、さらに色合成して投射レンズ１００を介して被投射面に投射されるＲ光の光路と、被投射面で反射して撮像素子２０７に到達するＲ光の光路を示している。図において、実線矢印がＰ偏光の光路を示し、点線矢印がＳ偏光の光路を示している。

照明光学系２０１からのＲ光は、前述したように、ダイクロイックミラー２０４で反射された後、第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂを介してＲ用の液晶パネル２０６Ｒに導かれる。そして、Ｒ用の液晶パネル２０６Ｒで画像変調されたＰ偏光としてのＲ光は、第２および第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｂ，２０５ｃの偏光分離面を透過して投射レンズ１００によって被投射面に投射される。

被投射面に投射されたＲ光は、該被投射面で反射されて様々な偏光方向の光が混ざった光となる。その光のうちＳ偏光として投射レンズ１００に入射した光（反射光）２１２は、第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃに入射する。第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃの偏光分離面は、前述したように、Ｒ光についてはＰ偏光を透過してＳ偏光を反射する特性を有する。このため、Ｓ偏光としての反射光２１２は、第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃの偏光分離面で反射され、Ｇ用の射出側偏光板を透過した後、Ｒ光の偏光方向のみを９０度変換する色選択性位相差板２１１に入射する。そして、色選択性位相差板２１１によってＰ偏光に変換された反射光２１２は、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａに向かう。

前述したように、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａは、Ｐ偏光を透過してＳ偏光を反射する特性を有するので、Ｐ偏光としての反射光２１２は、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａの偏光分離面を透過して撮像素子２０７に到達する。これにより、被投射面に投射されたフルカラー画像（投射画像）のうちＲ光によって形成された画像（Ｒ投射画像）の光学像を、撮像素子２０７により撮像することができる。

撮像素子２０７は、Ｒ光の光学像を光電変換し、撮像信号を図２に示すコントローラ３０１に出力する。コントローラ３０１は、ＣＰＵ等により構成され、撮像信号が有するコントラスト成分や輝度成分等からＲ投射画像）のピント状態を検出する。そして、その検出結果に基づいて、投射レンズ１００に設けられたアクチュエータであるフォーカスモータを動作させる。これにより、投射レンズ１００内のフォーカスレンズが光軸方向に移動され、投射レンズ１００の自動焦点調節（ＡＦ）が行われる。

このように、本実施例では、被投射面から投射レンズ１００および色分解合成ユニット２００を介して撮像素子２０７に入射したＲ光（検出光）を用いて撮像素子２０７によるＲ投射画像の撮像を行い、その撮像出力に基づいてＡＦを行う。

このとき、Ｒ光は、色分解合成ユニット２００の第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃの偏光分離面で反射し、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａの偏光分離面を透過した後、第２の偏光ビームスプリッタ２０５ｂの非有効面を透過して撮像素子２０７に入射する。言い換えれば、撮像素子２０７は、投射光のうち被投射面で反射した光であって投射レンズ１００を通って色分解合成ユニット２００に入射し、光学膜面で透過又は反射して非有効面から射出した検出光を用いて撮像を行う。このため、撮像素子２０７に被投射面からのＲ光を導くための専用の光学素子を設けることなくＡＦを行うことができる。

また、前述したように、撮像素子２０７と各液晶パネルは、互いに同一の構造を有する保持部材２０８′，２０８によって、同一の固定方法によって第１および第２の偏光ビームスプリッタ２０５ａ，２０５ｂに対して固定されている。このため、プロジェクタの筐体３００の内部温度の変化が生じたときの両保持部材２０８′，２０８の線膨張による伸縮量はほとんど同じになる。

この点、仮に撮像素子の保持部材と液晶パネルの保持部材の構造や固定方向が異なっていると、両保持部材の線膨張による伸縮量が大きく異なり、撮像素子を用いて得られる投射画像のピント状態とＡＦによるフォーカレンズの移動量との関係にずれが生じる。この結果、良好なＡＦを行えなくなる。

これに対して、本実施例では、撮像素子２０７を用いて得られる投射画像のピント状態とＡＦによるフォーカレンズの移動量との関係にずれが生じず、温度変化の影響をほとんど受けずに良好なＡＦを行うことができる。

図７には、本発明の実施例２における色分解合成ユニット２００′の構成を示している。なお、図７において、図６と共通する構成要素には図６と同符号を付して説明に代える。

また、図７には、照明光学系２０１からの光を色分解合成ユニット２００で色分解および画像変調し、さらに色合成して投射レンズ１００を介して被投射面に投射されるＲ光の光路と、被投射面で反射して撮像素子２０７に到達するＲ光の光路を示している。図において、実線矢印がＰ偏光の光路を示し、点線矢印がＳ偏光の光路を示している。さらに、白抜き矢印は、円偏光の光路を示している。

本実施例では、色分解合成ユニット２００′の第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃと投射レンズ１００との間に、１／４波長板２１３を配置した構成を有する。１／４波長板２１３は、その主軸方向が、投射レンズ１００よって投射されるＲ光の偏光方向に対して４５°傾くように配置されている。

色分解合成ユニット２００′で分解されたＲ光は、Ｒ用の液晶パネル２０６Ｒで反射および画像変調されてＰ偏光となり、１／４波長板２１３を透過する際に円偏光に変換されて投射レンズ１００から被投射面に投射される。そして、被投射面で反射したＲ光のうち投射レンズ１００に入射した反射光２１４は、投射レンズ１００を透過した後、１／４波長板２１３を透過する際にＳ偏光に変換されて第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃに入射する。

Ｓ偏光として第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃに入射したＲ光は、その偏光分離面で反射し、Ｇ用射出側偏光板Ｇをそのまま透過して色選択性位相差板２１１に入射してＰ偏光に変換され、第１の偏光ビームスプリッタ２０５ａに向かう。第１の偏光ビームスプリッタの偏光分離面を透過したＰ偏光としてのＲ光は、第１の偏光ビームスプリッタのプリズムの非有効面から射出して撮像素子２０７に入射する。このように、本実施例でも、被投射面から投射レンズ１００および色分解合成ユニットを介して撮像素子２０７に入射したＲ光（検出光）を用いて撮像素子２０７によるＲ投射画像の撮像を行い、その撮像出力に基づいてＡＦを行う。

１／４波長板２１３は、第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃと投射レンズ１００との間でなくても、第３の偏光ビームスプリッタ２０５ｃから被投射面までの間（例えば、投射レンズ１００における被投射面側の部分）に設けてもよい。

なお、上記各実施例では、被投射面からの反射光のうちＲ光のみを用いてＡＦを行う場合について説明したが、Ｒ光に代えて又はＲ光とともにＧ光やＢ光を用いてＡＦを行ってもよい。

また、上記各実施例では、撮像素子を保持する保持部材が取り付けられる光学素子として偏光ビームスプリッタを用いた場合について説明したが、偏光ビームスプリッタ以外の光学素子に保持部材を取り付けてもよい。

さらに、上記各実施例では、光変調素子として反射型液晶パネルを用いた場合について説明したが、透過型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等、他の光変調素子を用いてもよい。

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。

良好なＡＦを行える画像投射装置を提供できる。

１００投射レンズ
２００色分解合成ユニット
２０５ａ，２０５ｂ，２０５ｃ偏光ビームスプリッタ
２０６Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂ反射型液晶パネル
２０７撮像素子
２０８，２０８′ 保持部材

Claims

光源からの光を複数色の光に分解して複数の光変調素子に導き、該複数の光変調素子によって変調された複数色の光を合成する色分解合成ユニットと、
該色分解合成ユニットによって合成された投射光により形成される画像を被投射面に投射する投射光学系と、
前記被投射面に投射された前記画像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子からの出力を用いて前記投射光学系の自動焦点調節を行うコントローラとを有し、
前記色分解合成ユニットは、前記複数色の光のうちいずれかが透過又は反射する光学膜面と、前記複数色の光のいずれも透過又は反射しない非有効面と、を有する光学素子を有し、
前記撮像素子は、前記非有効面に対向するように配置され、前記投射光のうち前記被投射面で反射した光であって前記投射光学系を通って前記色分解合成ユニットに入射し、前記光学膜面で透過又は反射して前記非有効面から射出した検出光を用いて前記画像を撮像し、
前記光変調素子および前記撮像素子はそれぞれ、前記光学素子に同一の取付方法によって取り付けられた同一構造を有する保持部材によって保持されていることを特徴とする画像投射装置。
前記色分解合成ユニットから前記被投射面までの間に、前記投射光のうち前記検出光となる光の偏光方向に対して４５°傾いた主軸方向を有する１／４波長板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。