JP2018112595A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調素子から投射光学系に取り込まれる光の強度分布が非対称である場合に被投射面上での照度むらを低減する。
【解決手段】画像投射装置は、複数の画素が配列された変調面７ａを有し、照明光学系３〜６からの光を複数の画素により変調する光変調素子７と、変調面から取り込んだ光を被投射面に投射する投射光学系とを有する。光変調素子は、照明光学系から変調面に均一強度の光が入射するとともに複数の画素が同一駆動階調で駆動される場合に変調面から投射光学系に取り込まれる光の強度が該変調面の法線に対して一方の側で他方の側より高い非対称な光強度分布特性を有する。投射光学系の全画角から光を取り込まず、投射光学系の光軸近傍から前記一方側からの光を取り込み、投射光学系の周辺部から前記他方の側からの光を取り込む。
【選択図】図７

Description

本発明は、光変調素子により変調された光を投射して画像を表示する画像投射装置に関する。

プロジェクタ等の画像投射装置は、照明光学系からの照明光で液晶パネルやマイクロミラーアレイ等の光変調素子を照明し、該光変調素子により変調された光を投射光学系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。

表示画像を高解像度化するには、光変調素子における画素の高密度化が必要である。ただし、画素サイズの微小化に伴って回折の影響が顕著となり、この結果、表示画像の明るさの低下、明るさむらおよび色むらが発生する。

特許文献１には、光変調素子が回折格子として作用して発生する色むらを低減する方法が開示されている。具体的には、光変調素子を照明する光の波長ごとのＦナンバーを異ならせることで、波長に応じて回折角が異なることに起因する色むらを低減する。

特許第５７２０５８６号公報

しかしながら、光変調素子が画素の高密度化により回折格子として作用すると、光変調素子から投射光学系に取り込まれる光の強度分布が光変調素子（変調面）の法線に対して非対称となる場合がある。この場合、一般的な投射光学系の開口効率は１００％より低いため、被投射面上には非対称な照度分布を有する画像が投射されることになる。特許文献１にて開示された方法によれば、波長ごとの相対強度差が小さくなって色むらは低減するが、照度むらを低減することができない。

本発明は、光変調素子から投射光学系に取り込まれる光の強度分布が非対称である場合に被投射面上での照度むらを低減することができるようにした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、照明光学系と、複数の画素が配列された変調面を有し、照明光学系からの光を複数の画素により変調する光変調素子と、変調面から取り込んだ光を被投射面に投射する投射光学系とを有する。光変調素子は、照明光学系から変調面に均一強度の光が入射するとともに複数の画素が同一駆動階調で駆動される場合に変調面から投射光学系に取り込まれる光の強度が該変調面の法線に対して一方の側で他方の側より高い非対称な光強度分布特性を有する。そして、投射光学系の入射領域のうち、光軸側の中心部より他方の側の周辺部は変調面からの光を取り込まず、中心部より一方の側の周辺部が変調面のうち一方の側からの光を取り込み、中心部が変調面のうち他方の側からの光を取り込むことを特徴とする。

本発明によれば、光変調素子から投射光学系に取り込まれる光の強度分布が非対称である場合でも被投射面上での照度むらが少ない画像を表示することができる。

本発明の実施例１である画像投射装置の構成を示す断面図。 実施例１における光変調素子からの回折光を示す図。 実施例１における投射光学系の開口効率を示す図。 従来における回折次数ごとの被投射面での照度分布を示す図。 実施形１における光変調素子からの回折光の強度分布を示す図。 従来における光変調素子からの光の強度分布が対称である場合と非対称である場合の被投射面での照度分布を示す図。 実施例１における光変調素子と投射光学系の画角との関係を示す図。 実施例２における光変調素子と投射光学系の画角との関係を示す図。

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は、本発明の実施例１である画像投射装置（以下、プロジェクタという）の構成を示す。図１は、図中の座標軸により示すように、照明光学系の光軸１０が延びる光軸方向をＺ方向としたときのＹＺ断面を示している。

プロジェクタは、光源１およびコリメータレンズ２により構成される光源光学系と、光均一化素子（光学素子）３、コンデンサレンズ４、第１プリズム５および第２プリズム６により構成される照明光学系とを有する。また、プロジェクタは、照明光学系の光軸１０に対して直交する法線を有する光変調素子７と、投射光学系としての投射レンズ８とを有する。

光源１は、ランプ、ＬＥＤまたはレーザダイオード等により構成され、単独で白色光を発したり複数の光源から互いに波長が異なる複数の色光を発したりするように構成されている。光源１から発せられた発散光束はコリメータレンズ２により平行光束とされて光均一化素子３に向かう。光均一化素子３は、それぞれ複数の球面レンズが２次元配列されたレンズアレイである第１フライアイレンズ３ａと第２フライアイレンズ３ｂとにより構成されている。コリメータレンズ２からの平行光束は、第１フライアイレンズ３ａによって分割および集光され、それぞれの分割光束は第２フライアイレンズ３ｂの近傍に２次光源像を形成する。第１および第２フライアイレンズ３ａ，３ｂのそれぞれを構成するレンズセルは、光変調素子７の変調面（被照明面）７ａと相似形状である矩形のレンズ形状を有する。第１フライアイレンズ３ａの各レンズセルは、光変調素子７と光学的に共役な位置に配置されている。

第２フライアイレンズ３ｂから出射した複数の分割光束は、コンデンサレンズ４によって集光され、第１プリズム５および第２プリズム６を通過して光変調素子７の変調面７ａ上にて互いに重ね合わされる。これにより、変調面７ａには均一強度の照明光が入射する（すなわち、変調面７ａが均一強度の照明光で照明される）。

光変調素子７は、透過型または反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（マイクロミラーアレイ）により構成されている。光変調素子７の変調面７ａには、複数の画素（液晶パネルであれば液晶画素、マイクロミラーアレイであれば微小ミラー）が２次元配列されている。本実施例において、「変調面７ａ」は、複数の画素が２次元配置される基準面としての意味と該複数の画素が配置された領域の意味で用いる。

光変調素子７は、複数の画素によって入射した照明光を画像情報を含んだ画像光に変調する。変調された画像光は、投射レンズ８によってスクリーン等の被投射面２０に拡大投射され、これにより被投射面２０上に画像が表示される。

ここで、光変調素子７が、画素の高密度化により回折格子として作用する場合について説明する。回折格子としての光変調素子７からは、図２に示すように、光変調素子７の変調面７ａの法線１１の方向に出射する０次回折光に加えて、±１次から±３次（およびさらに高次）の回折光が互いに異なる回折角で出射する。そして、これら０次および±１次から±３次回折光はそれぞれ、図４に示すように、被投射面２０にて異なる照度分布を形成する。この場合、被投射面２０に投射される表示画像内での照度分布は、各次数の回折光により形成される照度分布とそれに対応する各次数の回折光強度を乗じ、積分したものとなる。

なお、プロジェクタに用いられる投射光学系として一般的な本実施例の投射レンズ８の開口効率（ここでは投射レンズ８の光軸側の中心部の透過光量に対する周辺部の透過光量の割合であり、ビネッティングともいう）は、図３に示すように１００％より低い。つまり、投射レンズ８の周辺部（像高が高い部分）では、中心部（像高が０付近の部分）に比べて光量落ちが大きいため、図４に示すように大きい次数の照度分布が悪くなる。

また、光変調素子には、その変調面に均一強度の光が入射するとともに複数の画素が同一駆動階調で駆動される場合に、図５（ａ）に示すように、変調面から出射する回折光の強度が変調面の法線に対して対称となる対称な光強度分布特性を有するものがある。具体的には、変調面から出射する光の強度が変調面の法線（０次回折光）に対して一方の側と他方の側とで等しい。

これに対して、光変調素子には、上記と同じ場合に、図５（ｂ）に示すように、変調面から出射する光の強度が変調面の法線に対して一方の側で他方の側より高い非対称な光強度分布特性を有するものもある。つまり、変調面から出射する光の強度が変調面の法線（０次回折光）に対して一方の側（図の右側）で他方の側（図の左側）よりも高くなる。本実施例では、後者のような非対称な光強度分布特性を有する光変調素子を光変調素子７として用いる。以下の説明において、非対称な光強度分布特性を有する光変調素子７のうち変調面７ａの法線に対して光強度が高い側（一方の側）を高強度側といい、光強度が低い側（他方の側）を低強度側という。

先述のとおり、被投射面２０に投射される表示画像内での照度分布は、各次数の回折光により形成される照度分布とそれに対応する各次数の回折光強度を乗じ、積分したものとなる。

このため、投射レンズ８の光軸１２（図１）と対称な光強度分布特性を有する光変調素（変調面）の中心とを一致させた場合には、図４に示す回折次数毎の照度分布と図５（ａ）に示した対称な光強度分布とが乗じられて、図６（ａ）に示すような対称な照度分布が得られる。

しかし、投射レンズ８の光軸１２と非対称な光強度分布特性を有する光変調素子７（変調面７ａ）の中心とを一致させると、図４に示す回折次数毎の照度分布と図５（ｂ）に示した非対称な光強度分布とが乗じられて、図６（ｂ）に示すように極端に非対称な照度分布が得られる。これは、図５（ｂ）に示すように変調面から出射する光の強度が変調面の法線（０次回折光）に対して一方の側（図の右側）で他方の側（図の左側）よりも高くなることが原因である。この場合、光変調素子７に入射する照明光の強度分布を均一にしても被投射面２０に投射される表示画像内での照度むらが目立つ。

このため、本実施例では、図７に示すように、光変調素子７の変調面（有効像高）７ａに対してイメージサークルが大きい投射レンズ８を用いている。そして、この投射レンズ８の光軸１２を、変調面７ａの中心（法線１１）に対して光強度が高い側（一方の側）の光を取り込めるようにシフトさせている。

これにより、非対称な光強度分布特性を有する光変調素子７を用いる場合でも、被投射面２０に投射される表示画像における照度むらを低減することができ、高品位な表示画像を投射可能なプロジェクタを実現することができる。

図８は、本発明の実施例２を示している。実施例１では、投射レンズ８の光軸１２を光変調素子７の変調面７ａの中心に対してシフトさせるとともに、光変調素子７の変調面７ａの全域からの光を投射レンズ８に取り込む場合について説明した。これに対して、本実施例では、光変調素子７の変調面７ａのうち実施例１で説明した低強度側（他方の側）の一部領域７ｃを光変調に用いない（そこからの光を投射レンズ８に取り込まない）非変調領域とする。これにより、光変調素子７の変調面７ａのうち光変調に用いられる変調領域７ｂの中心の法線１１′が変調面７ａの本来の中心の法線１１から投射レンズ８のうち一方の側にシフトする。

すなわち、光変調素子７ａの変調面７ａを部分的に限定して使用することで、投射レンズ８の光軸１２を変調面７ａの本来の中心に対してシフトさせることなく投射レンズ８の入射領域のうち他方の側の周辺部に相当する部分を不使用部分としている。

実施例１のように光変調素子７の変調面７ａに対して大きなイメージサークルを有する投射レンズ８を用いる場合に、投射レンズ８の大型化が懸念される。これに対して、本実施例では、光変調素子７の変調面７ａ内で光変調に使用する領域１１ａを限定することによりこのような懸念のないプロジェクタを実現することができる。

なお、光変調素子７の変調領域７ｂを限定する場合に、光変調素子７における照明光が入射する領域である照明領域も変調領域７ｂと相似形状とすることで、明るさの向上を図ることができる。すなわち、変調面７ａのうち非変調領域７ｃを除いた変調領域７ｂにのみ照明光学系からの照明光を入射させる（非変調領域７ｃには照明光を入射させない）ことが望ましい。この構成を実現するためには、光変調素子７と光学的に共役になっている第１フライアイレンズ３ａの各レンズセルの形状を変調領域７ｂの形状と相似とすればよい。

本実施例でも、非対称な光強度分布特性を有する光変調素子７を用いる場合でも、被投射面２０に投射される表示画像における照度むらを低減することができ、高品位な表示画像を投射可能なプロジェクタを実現することができる。

なお、図１に示した光均一化素子３は、実施例１のようなフライアイインテグレータ方式ではなく、柱状の光学素子内を多重反射させることにより均一化するロッドインテグレータ方式でもよい。ロッドインテグレータ方式を用いる場合は、コリメータレンズ２は不要となり、もしくはコリメータレンズ２の後に集光レンズを配置する。また、この場合において、実施例２で説明したように変調面７ａの変調領域７ｂと相似形状の照明領域を形成するには、光変調素子７と光学的に共役なロッド出射端を変調領域７ｂと相似形状とすればよい。

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。

３ 光均一化素子
３ａ 第１フライアイレンズ
３ｂ 第２フライアイレンズ
４ コンデンサレンズ
５ 第１プリズム
６ 第２プリズム
７ 光変調素子
８ 投射レンズ
２０ 被投射面

Claims (7)

1. 照明光学系と、
   複数の画素が配列された変調面を有し、前記照明光学系からの光を前記複数の画素により変調する光変調素子と、
   前記変調面から取り込んだ光を被投射面に投射する投射光学系とを有し、
   前記光変調素子は、前記照明光学系から前記変調面に均一強度の光が入射するとともに前記複数の画素が同一駆動階調で駆動される場合に前記変調面から前記投射光学系に取り込まれる光の強度が該変調面の法線に対して一方の側で他方の側より高い非対称な光強度分布特性を有し、
   前記投射光学系の全画角から光を取り込まず、前記投射光学系の光軸近傍から前記一方の側からの光を取り込み、前記投射光学系の周辺部から前記他方の側からの光を取り込むことを特徴とする画像投射装置。
2. 前記投射光学系の開口効率が１００％より小さいことを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記投射光学系の光軸が、前記変調面の中心に対して前記一方の側にシフトしていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射装置。
4. 前記変調面のうち一部に光変調を行わない非変調領域を設け、前記光変調を行う面の中心を法線とした場合、前記投射光学系の光軸が、前記光変調を行う面の中心の法線に対し、一方の側にシフトしていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射装置。
5. 前記変調面のうち、前記非変調領域を除いた、前記光変調を行う変調領域に前記照明光学系からの光を入射させることを特徴とする請求項４に記載の画像投射装置。
6. 前記照明光学系は、前記変調領域に光を入射させ、前記非変調領域に光を入射させないようにする光学素子を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像投射装置。
7. 前記光変調素子は、デジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像投射装置。