JP2018194757A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で投射レンズとスクリーンの間に遮光板を設けた際に階段状の照度分布を発生させない画像投射装置を提供すること。【解決手段】光源からの光を部分光束に分割し所定の位置に集光する複数のレンズセルで構成されたフライアイレンズと、前記部分光束を反射型パネルに重畳照明する集光手段と、前記反射型パネルで変調された光をスクリーンに投影する投影手段とを有する画像投射装置において、光軸から第１の方向（ｘ）のレンズセルまでの距離をＬ１とし、光軸から第１の方向（ｘ）とは垂直な第２の方向（ｙ）のレンズセルまでの距離をＬ２とすると、距離Ｌ１に応じて第２の方向（ｙ）にレンズセルが偏心しており、距離Ｌ２に応じて第１の方向（ｘ）にレンズセルが偏心していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は液晶画像表示素子を用いた画像投射装置に用いられる光学系に関し、さらに詳しくは照明光学系に関する。

複数の画像投射装置を使用して各映像をそれぞれ投射し、各映像の端部を互いに繋ぎ合わせて広い映像を作成するブレンディング方式のマルチ投射の手法が知られている。ブレンディング方式のマルチ投射（以後、マルチ投射と記載）の概略構成を図１１に示す。１０１は第１プロジェクタ、１０２は第２プロジェクタ、１０３はスクリーンを示す。

第１プロジェクタ１０１の投射画像と第２プロジェクタ１０２の投射画像が重複した部分の輝度は２倍になるため、投射画像の一部を遮光して輝度を低減させる光学的な手段として、特許文献１や特許文献２の技術がある。これらは投射レンズとスクリーンの間に周辺部にいくにつれて透過率が段階的あるいは連続的に低くなるようなフィルタを配置することを提案している。

また、微小な球面レンズが２次元的に配列されたレンズアレイおよびＰＳ変換素子で構成される照明光学系において透過率が連続的に変化するＮＤフィルタ（グラデーションＮＤフィルタ）を用いることでも効果があることが知られている。

現在、一般的に用いられているレンズアレイまたはロッドインテグレータを含んだ照明光学系の瞳は図１２のように光量分布が非連続である。このような瞳の際に投射レンズとスクリーンの間に遮光板を設け、映像面端部の輝度を低下させようとすると階段状の分布になってしまう。

その理由について図１３を用いて説明する。先程の非連続な光量分布を持つ瞳を図１２の左下のようにモデル化し、（１）、（２）、（３）の位置に同じ量の光があり、その他の領域には光がないとする。図１３左のようにマスクを入れると（Ｂの位置に到達する（２）の光をぎりぎりカットしない、Ａの位置に到達する（３）の光をぎりぎりカットしない位置）、Ｃの位置は（１）からのみ、Ｂの位置は（１）と（２）、Ａの位置は（１）、（２）、（３）すべてから光が到達する。そのため、図１２右のような階段状の光量分布になる。

このような階段状の分布をなくすために上記特許文献では周辺部にいくにつれて透過率が段階的あるいは連続的に低くなるようなフィルタを配置する提案がなされている。

特開２０００−３５２７６３号公報 特開２００２−１４８７１３号公報

しかしながら上記特許文献に記載されている複数の濃度の異なるＮＤフィルタの位置をずらしながら貼り合せたようなものは製作が難しい。また、ガラス表面に金属蒸着することで連続的な透過率を有するフィルタを製作することも可能であるが非常に高価である。

本発明は、簡易な構成で投射レンズとスクリーンの間に遮光板を設けた際に階段状の照度分布を発生させないことを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る画像投射装置は、
光源からの光を部分光束に分割し所定の位置に集光する複数のレンズセルで構成されたフライアイレンズと、前記部分光束を反射型パネルに重畳照明する集光手段と、前記反射型パネルで変調された光をスクリーンに投影する投影手段とを有する画像投射装置において、光軸から第１の方向（ｘ）のレンズセルまでの距離をＬ１とし、光軸から第１の方向（ｘ）とは垂直な第２の方向（ｙ）のレンズセルまでの距離をＬ２とすると、距離Ｌ１に応じて第２の方向（ｙ）にレンズセルが偏心しており、距離Ｌ２に応じて第１の方向（ｘ）にレンズセルが偏心していることを特徴とする。

本発明に係る画像投射装置によれば、簡易な構成で投射レンズとスクリーンの間に遮光板を設けた際に階段状照度分布を発生させないことができる。

本発明の実施例１である画像投射装置の光学系の構成 本発明のＰＳ変換素子の構成 本発明のフライアイレンズの構成 本発明のフライアイレンズのレンズセルの偏心方向を表した概略図 一般的フライアイレンズと本発明のフライアイレンズの瞳分布 一般的フライアイレンズと本発明のフライアイレンズの瞳分布を比較したグラフ 本発明のフライアイレンズのレンズセルの偏心方向を表した概略図 本発明の実施例２である画像投射装置の光学系の構成 本発明の実施例３である画像投射装置に用いられる照明光学系の構成 図９のＡの位置から見たＰＳ変換素子の概略図 ブレンディング方式のマルチ投射の概略図 一般的な照明光学系の瞳 投射レンズとスクリーンとの間に遮光板を挿入した場合、階段状の光量分布になる理由を説明した図

以下、本発明を実施するための形態について、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である画像投射装置に用いられる照明光学系の構成を示している。図中の１は光源、２は放物面リフレクタ、３は第１のフライアイレンズ、４は第２のフライアイレンズ、５はＰＳ変換素子、６はコンデンサーレンズ、７は偏光ビームスプリッタ、８は反射型液晶パネル、９は投射レンズを表す。

ここでは、画像表示素子として反射型液晶パネルを用いているが、反射型液晶パネルに限ったものではなく、透過型液晶パネルを用いても良い。説明を容易にするため画像投射装置の基本的な構成部品のみしか描いていないが、コンデンサーレンズは複数枚のレンズで構成としても良い。

図２にＰＳ変換素子５の構成を示す。ＰＳ変換素子５の概略図を図２に示す。図中の１５１はλ／２位相差膜、５２は偏光分離膜を示す。ＰＳ変換素子５は図２に示すように複数のλ／２位相差膜５１と複数の偏光分離膜５２で構成される。

ｘ方向に偏光した光線Ｒ１は、偏光分離膜５２で透過され、ＰＳ変換素子５から射出される。ｙ方向に偏光した光線Ｒ２は、偏光分離膜５２で反射され、λ／２位相差膜５１でｘ方向に偏光した光に偏光変換され、ＰＳ変換素子５から射出される。

光源１からの光束は、放物面リフレクタ２で反射され、第１のフライアイレンズ３で部分光束に分割される。前記部分光束は、第２のフライアイレンズ４またはＰＳ変換素子５近傍に第２の光源像をつくり、ＰＳ変換素子５でＰ偏光（ｘ方向の偏光）に揃えられる。前記Ｐ偏光光は、コンデンサーレンズ６を通過して、偏光ビームスプリッタ７を透過して、反射型液晶パネル８を照明する。

前記反射型液晶パネル８で変調されＰ偏光からＳ偏光に変換された光束は、偏光ビームスプリッタ７で反射され、投射レンズ９を介して不図示のスクリーンに投影される。

本実施例では、反射型液晶パネル８を１枚のみ示しているが、実際の一般的なプロジェクタでは、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した３つの液晶パネルが設けられる。偏光ビームスプリッタ７は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの各色照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。

不図示であるが、光源からの光路を折り曲げるミラーや、複数の色光に分離するダイクロイックミラーや、熱線カットフィルタおよび偏光板等の各種光学素子が適宜配置されることは、言うまでもない。

図３に第１のフライアイレンズ３（レンズセル数：６×９）の構成を示す。レンズセルの偏心方向は、図４の概略図を用いて説明する。簡単のため４×５のレンズセルのフライアイレンズを用いて説明する。図３の矢印はレンズセルの偏心方向を示しており、矢印の長さが長いほど偏心量が大きいことを示す。

原点を光学系の光軸Ｏ１とした場合のレンズセルの中心座標を（Ｌｘ，Ｌｙ）とし、レンズセルの偏心量を（Ｈｘ，Ｈｙ）とする。Ｌｘはｘ方向の距離、Ｌｙはｙ方向の距離、Ｈｘはｘ方向の偏心量、Ｈｙはｙ方向の偏心量を示す。

図３に示すように、第１のフライアイレンズ３の各レンズセルをＬｘが大きいほど偏心量Ｈｙを大きくし、Ｌｙが大きいほど偏心量Ｈｘを大きくしている。

図５（ａ）は一般的なフライアイレンズ使用した場合の瞳分布を、（ｂ）は本発明のフライアイレンズを使用した場合の瞳を示す。本発明のフライアイレンズを使用することで、図５（ａ）の瞳分布を回転させたような瞳分布になる。従って、回転したような瞳分布になるため、ｘ方向の強度分布（ｙ方向の強度を平均）またはｙ方向の強度分布（ｘ方向の強度を平均）が、不連続だった分布から比較的滑らかな分布になる。

図６にｙ方向の強度分布（ｘ方向の強度を平均）を示す。図６のグラフからわかるように一般的なフライアイレンズを使用した場合に比べて、不連続な分布がかなり改善されていることがわかる。

従って、投射レンズとスクリーンの間に遮光板を設けて映像面端部の輝度を低下させた場合でも、階段状の分布が緩和され、滑らかに照度が低下する。これにより、一般的な遮光板を使ってもブレディング方式によるマルチ投射で自然な画像を投影することが可能になる。

レンズセルを偏心させる方向は、図４に示した方向に限ったものではなく、図７に示すような方向であっても良い。また、本実施例では距離Ｌｘと偏心量Ｈｙおよび距離Ｌｙと偏心量Ｈｘが比例している場合を示しているが、偏心量が距離の２乗や平方根に比例するケースなど種々のケースで適用できる。

以下、さらに望ましい条件について述べる。第１のフライアイレンズ３のレンズセルのｘ方向の大きさをｄｘ、ｙ方向の大きさをｄｙとすると、
Ｈｘ＜ｄｘ／２・・・（１）
Ｈｙ＜ｄｙ／２・・・（２）
なる関係を満足する。

式（１）および式（２）の上限を逸脱すると、第２のフライアイレンズで隣のセルに入射する光量が増加して、不要光になる量が増加するため、画像投射装置の照度が大きく低下する。

図８には、本発明の実施例２である画像投射装置に用いられる照明光学系の構成を示している。図中の１１は光源、１２は楕円リフレクタ、１３は平行化レンズ、１４は第１の偏光ビームスプリッタ、１５はミラー、１６はλ／２位相差板、１７は第１のフライアイレンズ、１８は第２のフライアイレンズ、１９はコンデンサーレンズ、２０は第２の偏光ビームスプリッタ、２１は反射型液晶パネル、２２は投射レンズを表す。

ここでは、画像表示素子として反射型液晶パネルを用いているが、反射型液晶パネルに限ったものではなく、透過型液晶パネルを用いても良い。説明を容易にするため画像投射装置の基本的な構成部品のみしか描いていないが、コンデンサーレンズは複数枚のレンズで構成としても良い。

光源１１から放射された光は、楕円リフレクタ１２で集光され、平行化レンズ１３で平行化され、第１の偏光ビームスプリッタ１４に入射される。Ｐ偏光光は、第１の偏光ビームスプリッタ１４で透過され、λ／２位相差板１６でＳ偏光に偏光変換され、第１のフライアイレンズ１７に入射される。Ｓ偏光光は、第１の偏光ビームスプリッタ１４で反射され、ミラー１５で反射され、第１のフライアイレンズ１７に入射される。

第１のフライアイレンズ１７で部分光束に分割され、第２のフライアイレンズ１８近傍に第２の光源像をつくり、コンデンサーレンズ１９を通過して、反射型液晶パネル２１を照明する。

前記反射型液晶パネル２１で変調されＳ偏光からＰ偏光に変換された光束は、偏光ビームスプリッタ２０で透過され、投射レンズ２２を介して不図示のスクリーンに投影される。

基本的な構成は、実施例１と同様の構成であるが、第１のフライアイレンズ１７より入射側に偏光変換手段（１４、１５、１６）を設けているため、第１のフライアイレンズの偏心によりＰＳ変換素子で不要光になる光量を減らすことができる。

従って、明るい画像で、一般的な遮光板を使ってもブレディング方式によるマルチ投射で、階段状の分布がない自然な画像を投影することが可能になる。

図９には、本発明の実施例３である画像投射装置に用いられる照明光学系の構成を示している。図中の３１は光源、３２は放物面リフレクタ、３３は第１のフライアイレンズ、３４は第２のフライアイレンズ、３５はＰＳ変換素子、３６はコンデンサーレンズ、３７は偏光ビームスプリッタ、３８は反射型液晶パネル、３９は投射レンズ、４０はλ／２位相差板を表す。

ここでは、画像表示素子として反射型液晶パネルを用いているが、反射型液晶パネルに限ったものではなく、透過型液晶パネルを用いても良い。説明を容易にするため画像投射装置の基本的な構成部品のみしか描いていないが、コンデンサーレンズは複数枚のレンズで構成としても良い。

図９のＡの位置から見たＰＳ変換素子３５の概略図を図１０に示す。図１０に示すように光軸を中心に瞳分布の回転に合わせて、ＰＳ変換素子３５を回転させて配置している。従って、図中のｕ方向の偏光光としてＰＳ変換素子３５から射出される。

光源３１からの光束は、放物面リフレクタ３２で反射され、第１のフライアイレンズ３３で部分光束に分割される。前記部分光束は、第２のフライアイレンズ３４またはＰＳ変換素子３５近傍に第２の光源像をつくり、ＰＳ変換素子３５でｕ方向の偏光光に揃えられる。前記ｕ方向の偏光光は、λ／２位相差板４０でＰ偏光光（ｘ方向の偏光光）に偏光変換され、コンデンサーレンズ３６を通過して、偏光ビームスプリッタ３７を透過して、反射型液晶パネル３８を照明する。

前記反射型液晶パネル３８で変調されＰ偏光からＳ偏光に変換された光束は、偏光ビームスプリッタ３７で反射され、投射レンズ３９を介して不図示のスクリーンに投影される。

本実施例では、反射型液晶パネル３８を１枚のみ示しているが、実際の一般的なプロジェクタでは、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した３つの液晶パネルが設けられる。偏光ビームスプリッタ３７は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの各色照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。

不図示であるが、光源からの光路を折り曲げるミラーや、複数の色光に分離するダイクロイックミラーや、熱線カットフィルタおよび偏光板等の各種光学素子が適宜配置されることは、言うまでもない。

基本的な構成は、実施例１と同様の構成であるが、図５（ｂ）のような瞳分布の回転に合わせてＰＳ変換素子を回転させて配置しているため、ＰＳ変換素子で不要光になる光量を減らすことができる。

従って、明るい画像で、一般的な遮光板を使ってもブレディング方式によるマルチ投射で、階段状の分布がない自然な画像を投影することが可能になる。

１ 光源、
２ 放物面リフレクタ、３ 第１のフライアイレンズ、
４ 第２のフライアイレンズ、５ ＰＳ変換素子、６ コンデンサーレンズ、
７ 偏光ビームスプリッタ、８ 反射型液晶パネル、９ 投射レンズ

Claims (4)

1. 光源からの光を部分光束に分割し所定の位置に集光する複数のレンズセルで構成されたフライアイレンズと、前記部分光束を反射型パネルに重畳照明する集光手段と、前記反射型パネルで変調された光をスクリーンに投影する投影手段とを有する画像投射装置において、
   光軸から第１の方向（ｘ）のレンズセルまでの距離をＬ１とし、光軸から第１の方向（ｘ）とは垂直な第２の方向（ｙ）のレンズセルまでの距離をＬ２とすると、距離Ｌ１に応じて第２の方向（ｙ）にレンズセルが偏心しており、距離Ｌ２に応じて第１の方向（ｘ）にレンズセルが偏心していることを特徴とする画像投射装置。
2. 前記フライアイレンズの第１の方向のレンズセルの偏心量Ｈ１、前記フライアイレンズの第２の方向のレンズセルの偏心量Ｈ２とすると、距離Ｌ１が大きいほど偏心量Ｈ２の絶対値が大きく、距離Ｌ２が大きいほど偏心量Ｈ１の絶対値が大きいことを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. レンズセルの第１方向の大きさをｄ１、第２方向の大きさをｄ２とすると、
   Ｈ１≦ｄ１／２
   Ｈ２≦ｄ２／２
   なる関係を満足することを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
4. 所定の方向の偏光光に偏光変換する偏光変換素子を有し、前記部分光束の集光位置の光源像の分布に応じて、前記偏光変換素子を光軸を周りに回転させていることを特徴とする請求項３に記載の画像投射装置。