JP2019032494A

JP2019032494A - 画像投射装置

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Publication number: JP2019032494A
Application number: JP2017154902A
Authority: JP
Inventors: 勇樹前田; Yuuki Maeda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2019-02-28
Also published as: GB201812684D0; US20190049832A1; GB2567292A; DE102018006252A1; US10481473B2; FR3070069A1

Abstract

【課題】簡易な構成でありながらも高い耐久性能を有し、かつ高コントラストな画像投射装置を提供する。【解決手段】画像投射装置は、光源１３からの第１の光を変調して第２の光を生成する第１の光変調素子１１と、第２の光を変調する第２の光変調素子１２と、第２の光を第２の光変調素子上に結像させる結像光学系７，８とを有し、第２の光変調素子からの光により形成される画像を被投射面に投射する。結像光学系の結像倍率βは、β≦０．９５なる条件を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）に関する。

プロジェクタにおいて高コントラストを実現するために、特許文献１には以下のようなプロジェクタが開示されている。該プロジェクタでは、複数の光変調素子（画像変調素子）からの複数の色光を合成し、その合成光である画像光を結像光学系により別の光変調素子（輝度変調素子）上に結像させる。そして、輝度変調素子において輝度変調がなされた画像光を投射レンズを介して被投射面に投射する。また、特許文献２に開示されたプロジェクタでは、光源からの光を輝度変調素子により変調し、該輝度変調素子からの輝度変調光を色分離しつつ結像光学系により複数の画像変調素子上に結像させる。そして、該複数の画像変調素子からの複数の色光を合成して画像光として投射レンズを介して被投射面に投射する。

特許第４１５８７５７号公報特開２００７−１２１６９３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、画像変調素子からの画像光の解像性能を維持して輝度変調素子により輝度変調を行うためには、極めて高い結像性能を有する結像光学系が必要になる。一方、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、光源からの光が入射する輝度変調素子において、色分離された各色光が入射する画像変調素子に対して光密度が高くなり、輝度変調素子の寿命が画像変調素子のそれよりも短くなるおそれがある。

本発明は、簡易な構成でありながらも高い耐久性能を有し、かつ高コントラストな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、光源からの第１の光を変調して第２の光を生成する第１の光変調素子と、第２の光を変調する第２の光変調素子と、第２の光を第２の光変調素子上に結像させる結像光学系とを有し、第２の光変調素子からの光により形成される画像を被投射面に投射する。該画像投射装置は、結像光学系の結像倍率βが、
β≦０．９５
なる条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成でありながらも高い耐久性能を有し、かつ高コントラスト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のプロジェクタにおける光学系の構成を示す断面図。実施例１における結像光学系の構成を示す断面図。実施例１における光学系の詳細構成を示す断面図。本発明の実施例２のプロジェクタにおける光学系の構成を示す断面図。本発明の実施例３のプロジェクタにおける光学系の構成を示す断面図。本発明の実施例４のプロジェクタにおける光学系の構成を示す断面図。本発明の実施例５のプロジェクタにおける光学系の構成を示す断面図。本発明の実施例６のプロジェクタにおける光学系の構成を示す断面図。実施例１における第１の光変調素子と第２の光変調素子を示す図。

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には、本発明の実施例１である画像投射装置としてのプロジェクタの光学系全体の構成を示している。プロジェクタは、不図示のパーソナルコンピュータ等の画像供給装置から供給される入力画像信号に基づいて投射画像を表示する。光学系は、光源ユニット１３からの照明光（第１の光）により第１の光変調素子１１を照明する照明光学系と、第１の光変調素子１１で輝度変調された照明光である輝度変調光（第２の光）を第２の光変調素子１２上に結像させる結像光学系とを有する。本実施例では、第１および第２の光変調素子１１，１２として反射型液晶パネルを用いている。

光源ユニット１３は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等の光源１と、該光源１からの光を反射するリフレクタ２とを有する。光源ユニット１３としては、ＬＥＤやレーザを用いてもよい。また、レーザ光により励起されて蛍光光を発する蛍光体を用いた光源ユニットを用いてもよい。

照明光学系は、第１のフライアイレンズ３と、第２のフライアイレンズ４と、偏光変換素子５と、第１の偏光ビームスプリッタ６と、結像光学系とにより構成されている。第１の光変調素子１１からの輝度変調光を第２の光変調素子１２上に結像させる上記結像光学系は、第１のレンズ系７と第２のレンズ系８とにより構成されている。

光源ユニット１３からの照明光は、第１のフライアイレンズ３により複数の光束に分割され、かつそれぞれの光束が集光される。複数の光束は、第２のフライアイレンズ４を通過して複数の光源像を形成する。光源像が形成される位置の近傍には、偏光変換素子５が設けられている。

偏光変換素子５に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子５によって特定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）に変換されて、第１の偏光ビームスプリッタ６に入射する。第１の偏光ビームスプリッタ６を透過したＰ偏光は、第１のレンズ系７で集光され、第１の光変調素子１１に到達してこれを照明する。第１の光変調素子１１は、上述した入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調することで輝度変調光を生成するとともにこれを反射する。

第１の光変調素子１１から出射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、第１のレンズ系７で集光され、第１の偏光ビームスプリッタ６で反射され、さらに第２のレンズ系８で集光され、第２の偏光ビームスプリッタ９で反射されて第２の光変調素子１２上に結像する。このとき、第１の光変調素子１１で輝度変調されなかった光（Ｐ偏光）は、第１の偏光ビームスプリッタ６を透過して光源ユニット側に戻される。

第２の光変調素子１２は、上記入力画像信号に基づいて駆動されて輝度変調光を画像変調することで画像光を生成してこれを反射する。第２の光変調素子１２からの画像光（Ｐ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッタ９を透過して投射レンズ１０により不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。このとき、第２の光変調素子１２により変調されない光（Ｓ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッタ９で反射されて光源ユニット側に戻される。

本実施例のプロジェクタでは、第１の光変調素子１１が第２の光変調素子１２の画像領域ごとにそこへの入射光（輝度変調光）の輝度レベルを制御し、第２の光変調素子１２が画素ごとに出射光（画像光）の輝度レベルを制御する。このように２段階で光の輝度レベルを制御することで、高コントラストおよび多階調数を実現することができる。例えば、第１の偏光ビームスプリッタ６と第１の光変調素子１１で実現できるコントラストが２００：１であり、第２の偏光ビームスプリッタ９と第２の光変調素子１２で実現できるコントラストが５０００：１とする。この場合、プロジェクタで実現できるコントラストは１００万：１となる。

光源ユニット１３からの照明光が入射する第１の光変調素子１１の反射率は、６０％〜８０％程度である。このため、第２の光変調素子１２に入射する輝度変調光のエネルギに比べて、第１の光変調素子１１に入射する照明光のエネルギが高い。第１の光変調素子１１と第２の光変調素子１２のパネルサイズ（光が入射する領域の面積）が同じであると、第１の光変調素子１１の方が第２の光変調素子１２よりも光密度が高いために寿命が短くなるおそれがある。液晶パネルは、一般的に光密度の増加に比例して寿命が短くなるためである。第１の光変調素子１１の寿命を改善するためには、第１の光変調素子１１のパネルサイズを大きくして光密度を下げる必要がある。

本実施例では、第１のレンズ系７と第２のレンズ系８で構成される結像光学系を、第１の光変調素子側と第２の光変調素子側の両側においてテレセントリックな光学系として構成している。そして、この結像光学系の結像倍率βを、
β≦０．９５（１）
なる条件を満足するように設定している。

式（１）の条件は、輝度変調光により形成される第１の光変調素子１１の像を、第２の光変調素子１２に対して縮小投影することを表している。言い換えれば、第１の光変調素子１１に照明光が入射する領域の面積を、第２の光変調素子１１に輝度変調光が入射する領域の面積よりも大きくする。この結果、βの二乗に比例して第１の光変調素子１１での光密度を下げることができ、第１の光変調素子１１の寿命を改善することができる。すなわち、プロジェクタの耐久性能を向上させることができる。結像倍率βが式（１）の上限値を超えると、第１の光変調素子１１の光密度を有意に下げることができず、寿命改善効果が得られなくなる。また、第１の光変調素子１１の光密度を下げるために第２の光変調素子１２とともに大型の液晶パネルを用いると、プロジェクタが大型化するため、好ましくない。したがって、第１の光変調素子１１のパネルサイズを第２の光変調素子１２のパネルサイズより大きくして式（１）の条件を満足するように結像光学系を構成することが望ましい。
さらに、
β≦０．８５（２）
なる条件を満足することがより望ましい。

図２は、結像光学系２０（７，８）の構成を示している。第１のレンズ系７を構成する第１のレンズ２１は正レンズであり、第２のレンズ２２は正レンズであり、第３のレンズ２３は負レンズである。また、第２のレンズ系８を構成する第４のレンズ２４は正レンズであり、第５のレンズは正レンズである。第２のレンズ２２と第３のレンズ２３は接合レンズである。なお、図２においては第１のレンズ系７も第２のレンズ系８も複数のレンズを有しているが、２つのレンズ系のうち少なくとも一方がレンズを１枚しか持たない構成であってもよい。

表１には、結像光学系の数値例１を示す。数値例１において、ｉは第１の光変調素子側（前側）からの光学面の順序を示し、ｒはｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径（ｍｍ）を示す。ｄは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔（ｍｍ）を、ｎｄとνｄはそれぞれｄ線を基準としたｉ番目の光学部材の材質の屈折率とアッベ数を示す。ｆは焦点距離（ｍｍ）を、ＦｎｏはＦナンバーを示す。

また、数値例１では、第１の光変調素子１１として、１．０インチの反射型液晶パネルを用いている。この第１の光変調素子１１において光の変調が可能な変調可能画素領域のサイズは２０.４８ｍｍ×１５．３６ｍｍである。また、第２の光変調素子１２として、０．７１インチの反射型液晶パネルを用いている。この第２の光変調素子１２の変調可能画素領域のサイズは１５．３６ｍｍ×９．６ｍｍである。第１の光変調素子１１の解像度は、画素幅０．０２ｍｍのＸＧＡ（画素数１０２４×７６８）である。第２の光変調素子１２の解像度は、画素幅０．００８ｍｍのＷＵＸＧＡ（画素数１９２０×１２００）である。

結像光学系２０の結像倍率βは０．８４である。このため、第２の光変調素子１２において実際に輝度変調光を変調する有効画素領域（変調可能画素領域と同じ１５．３６ｍｍ×９．６ｍｍ）を第１の光変調素子１１の光変調可能画素領域に逆投影して像が形成される領域のサイズは１８．２８ｍｍ×１１．４２ｍｍになる。この逆投影像が形成される領域は、第１の光変調素子１１の変調可能画素領域（２０.４８ｍｍ×１５．３６ｍｍ）の内側において実際に照明光を変調する有効画素領域に相当し、画素数は９１４×５７１である。

第１の光変調素子１１のうちこの有効画素領域内の画素を駆動して照明光を変調する（光変調を行う）ことで、第１の光変調素子１１の画素ごとに輝度レベルを制御した輝度変調光を生成する。これにより、上述した解像度（画素数）の違いから、第２の光変調素子１２における有効画素領域には、それぞれ複数の画素を含む画素領域ごとに輝度レベルが制御された輝度変調光が入射する。第１の光変調素子１１の変調可能画素領域のうち有効画素領域外の画素領域では光変調を行わない。

このように、第１の光変調素子１１の有効画素領域をその変調可能画素領域より小さく（狭く）する。これにより、第１の光変調素子１１として、第２の光変調素子１２とはサイズやアスペクト比が異なる光変調素子を用いることができる。

上述した第１の光変調素子１１と第２の光変調素子１２のサイズの関係と変調可能画素領域および有効画素領域の関係を図９に模式的に示す。図９の左側において、Ｂ１は第１の光変調素子１１における変調可能画素領域であり、Ａ１は変調可能画素領域Ｂ１の内側の有効画素領域である。一点鎖線で示す領域Ｃ１が変調可能画素領域Ｂ１のうち照明光が入射する光入射領域である。光入射領域Ｃ１は、有効画素領域Ａ１よりもある程度広く設定されている。また、図９の右側において、Ｂ２は第２の光変調素子１２における変調可能画素領域であり、Ａ２は変調可能画素領域Ｂ２と同じに（または僅かに狭く）設定された有効画素領域である。第２の光変調素子１２では、その有効画素領域Ａ２と同じ（または僅かに狭い）光入射領域Ｃ２に第１の光変調素子１１からの輝度変調光が入射する。

結像光学系２０を構成するレンズや他の光学素子の部品精度や配置精度の関係で、第１の光変調素子１１の有効画素領域Ａ１からの輝度変調光が第２の光変調素子１２の有効画素領域Ａ２に対してずれて入射する場合がある。この場合、第１の光変調素子１１において有効画素領域Ａ１を変調可能画素領域Ｂ１において広めに設定された光入射領域Ｃ１内で移動させる（変更する）ことで、該ずれを補正することができる。この結果、結像光学系２０を構成するレンズや他の光学素子に対する高い部品精度や配置精度が不要になり、簡易な電気的な制御により高コントラストを実現することができる。

なお、第１の光変調素子１１の有効画素領域Ａ１は、第２の光変調素子１２の有効画素領域Ａ２と相似な形状を有することが好ましい。ここにいう相似は、完全な相似である必要はなく相似とみなせる範囲内にあればよい。第１の光変調素子１１の有効画素領域Ａ１の長辺と短辺をそれぞれｘ１，ｙ１とし、第２の光変調素子１２の有効画素領域Ｂ１の長辺と短辺をそれぞれｘ２，ｙ２とする。このとき、ｙ１／ｘ１＝ｙ２／ｘ２となる場合が完全な相似であるのに対して、相似とみなせる範囲は、例えば、
０．８≦（ｙ１／ｘ１）／（ｙ２／ｘ２）≦１．２
となる範囲である。ただし、第１の光変調素子１１の有効画素領域の形状と第２の光変調素子１２の有効画素領域の形状は、必ずしも相似でなくてもよい。

また、本実施例のように、第１の光変調素子１１として第２の光変調素子１２よりも解像度が低い液晶パネルを用いることで、第１の光変調素子１１を駆動する電気回路基板の小型化が可能である。また、投射画像において第１の光変調素子１１のブラックマトリクスを目立ちにくくすることもできる。第１の光変調素子１１の解像度は、投射される画質と小型化とのバランスから、
ｂｘ／１０≦ａｘ≦ｂｘ／１．１
ｂｙ／１０≦ａｙ≦ｂｙ／１．１（３）
なる条件を満足することが望ましい。式（３）において、ａｘは第１の光変調素子１１の長辺方向の画素数であり、ａｙは第１の光変調素子１１の短辺方向の画素数である。また、ｂｘは第２の光変調素子１２の長辺方向の画素数であり、ｂｙは第２の光変調素子１２の短辺方向の画素数である。

図１は第２の光変調素子１２を１つのみ示しているが、実際のプロジェクタでは、Ｒ、ＧおよびＢに対応する３つの第２の光変調素子１２が設けられる。第２の偏光ビームスプリッタ９は、これら３つの第２の光変調素子１２に対してそれぞれ輝度変調光であるＲ光、Ｇ光およびＢ光を導き、さらに３つの第２の光変調素子１２からの画像光であるＲ光、Ｇ光およびＢ光を合成する色分解合成光学系の一部を構成する。色分解合成光学系の例を図３に示す。

図３において、第１の偏光ビームスプリッタ６で反射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、クロスダイクロイックミラー（色分離素子）３１によって第１の色光（Ｂ光）と第２の色光（Ｙ光＝Ｇ光＋Ｒ光）とに分離される。第１の偏光ビームスプリッタ６（つまりは第１の光変調素子１１）とクロスダイクロイックミラー３１との間には、Ｓ偏光のみを透過する偏光板３８が設けられている。この偏光板３８としては、Ｐ偏光を吸収する吸収型偏光板でもＰ偏光を反射する反射型偏光板でもよいが、吸収型偏光板を用いることで、Ｐ偏光の反射によるゴーストの発生を防止することができる。

第１の色光は、第１のミラー３２で反射され、Ｂ用の第２のレンズ系８Ｂおよび第２の偏光ビームスプリッタ９Ｂを介してＢ用の第２の光変調素子１２Ｂに入射する。第２の光変調素子１２Ｂで変調された画像光としての第１の色光（Ｐ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッタ９Ｂを透過し、クロスダイクロプリズム３５を反射して投射レンズ１０により不図示のスクリーンに投射される。

また、第２の色光は、Ｙ用の第２のレンズ系８Ｙを透過し、ダイクロイックミラー３４により第３の色光（Ｇ光）と第の４色光（Ｒ光）とに分離される。第３の色光は、Ｇ用の第２の偏光ビームスプリッタ９Ｇを介してＧ用の第２の光変調素子１２Ｇに入射する。第２の光変調素子１２Ｇで変調された画像光としての第３の色光（Ｐ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッタ９Ｇを透過し、クロスダイクロプリズム３５を透過して投射レンズ１０によりスクリーンに投射される。

第４の色光は、Ｒ用の第２の偏光ビームスプリッタ９Ｒを介してＲ用の第２の光変調素子１２Ｒに入射する。第２の光変調素子１２Ｒで変調された画像光としての第４の色光（Ｐ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッタ９Ｒを透過し、クロスダイクロプリズム３５で反射されて投射レンズ１０によりスクリーンに投射される。

本実施例において第１の偏光ビームスプリッタ６は、ＷＧ−ＰＢＳ（Wire Grid Polarizing Beam Splitter）であるが、これに代えてプリズム型ＰＢＳを用いてもよい。また、本実施例において第２の偏光ビームスプリッタ９はプリズム型ＰＢＳであるが、これに代えてＷＧ−ＰＢＳを用いてもよい。また、本実施例における結像光学系は、第１のレンズ系７とＢ用の第２のレンズ系８Ｂのこと、あるいは、第１のレンズ系７とＹ用の第２のレンズ系８Ｙのことをいう。

本実施例では、照明光学系を第１のフライアイレンズ３と第２のフライアイレンズ４を用いて構成しているが、ロッドインテグレータを用いて構成してもよい。本実施例では、第１及び第２の光変調素子として反射型液晶パネルを用いているが、透過型液晶パネルやマイクロミラーアレイを用いてもよい第１の光変調素子と第２の光変調素子は同じタイプの光変調素子である必要はなく、例えば、第１の光変調素子が透過型液晶パネルで第２の光変調素子が反射型液晶パネルであってもよい。

図４には、本発明の実施例２であるプロジェクタの光学系全体の構成を示している。光源ユニット７１からの照明光は、第１のフライアイレンズ７３に入射し、複数の光束に分割され、かつそれぞれの光束が集光される。複数の光束は、第２のフライアイレンズ７４を通過して複数の光源像を形成する。光源像が形成される位置の近傍には、偏光変換素子７５が設けられている。

偏光変換素子７５に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子７５によって特定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）に変換され、第１のレンズ系７６および第１のミラー７７を介して第１の光変調素子７８に到達してこれを照明する。第１の第１の光変調素子７８は、実施例１と同様に入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調して輝度変調光を生成する。ただし、本実施例では、第１の光変調素子７８として透過型液晶パネルを用いているため、輝度変調光はこれを透過して出射する。

第１の光変調素子７８から出射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、吸収型偏光板７９を透過し、第２のミラー８０で反射されて第２のレンズ系８１に入射する。このとき、第１の光変調素子７８で変調されなかったＰ偏光は、吸収型偏光板７９で吸収される。

第２のレンズ系８１を通過した輝度変調光は、第３のミラー８２で反射されて第３のレンズ系８３に入射する。第３のレンズ系８３を通過した光は、第１の偏光ビームスプリッタ８４で反射されて第２の光変調素子８５に入射する。

反射型液晶パネルにより構成された第２の光変調素子８５は、上記入力画像信号に基づいて駆動されて輝度変調光を画像変調することで画像光を生成してこれを反射する。第２の光変調素子８５からの画像光（Ｐ偏光）は、第１の偏光ビームスプリッタ８４を透過して投射レンズ７２により不図示のスクリーンに投射される。このとき、第２の光変調素子８５で変調されなかったＳ偏光は、第１の偏光ビームスプリッタ８４で反射されて光源ユニット側に戻される。

本実施例でも、第２のレンズ系８１と第３のレンズ系８３により構成される結像光学系を、第１の光変調素子側と第２の光変調素子側の両側においてテレセントリックな光学系として構成している。そして、この結像光学系の結像倍率βも、式（１）（望ましくは式（２））の条件を満足している。

また、図４には第２の光変調素子８５を１つのみ示しているが、実施例１で図３を用いて説明したように、実際にはＲ，ＧおよびＢに対応した３つの第２の光変調素子が設けられている。第１の偏光ビームスプリッタ８４は、これら３つの第２の光変調素子に対してそれぞれ照明光であるＲ光、Ｇ光およびＢ光を導き、３つの第２の光変調素子からの画像光としてのＲ光、Ｇ光およびＢ光を合成する色分解合成光学系の一部を構成する。

本実施例において第１の偏光ビームスプリッタ８４は、プリズム型ＰＢＳであるが、これに代えてＷＧ−ＰＢＳを用いてもよい。

図５には、本発明の実施例３であるプロジェクタの光学系全体の構成を示している。光源ユニット９１からの照明光は、第１のフライアイレンズ９３に入射して複数の光束に分割され、かつそれぞれの光束は集光される。複数の光束は、第２のフライアイレンズ９４を通過して複数の光源像を形成する。光源像が形成される位置の近傍には、偏光変換素子９５が設けられている。

偏光変換素子９５に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子９５によって特定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）に変換されて、第１のレンズ系９６を介して第１の光変調素子９７に到達してこれを照明する。

透過型液晶パネルにより構成された第１の光変調素子９７は、実施例１で説明した入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調することで輝度変調光を生成してこれを透過させる。第１の光変調素子９７から出射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、第１の偏光板（吸収型偏光板）９８を透過して第２のレンズ系９９に入射する。このとき、第１の光変調素子９７で変調されなかったＰ偏光は、第１の偏光板９８で吸収される。

第２のレンズ系９９で集光された輝度変調光は、第３のレンズ系１００でさらに集光されて、Ｐ偏光を反射する反射型偏光板１０１を透過して第２の光変調素子１０２に入射する。透過型液晶パネルにより構成された第２の光変調素子１０２は、上記入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調することで画像光を生成してこれを透過させる。

第２の光変調素子１０２からの画像光（Ｐ偏光）は、第２の偏光板１０３を透過して投射レンズ９２により不図示のスクリーンに投射される。このとき、第２の光変調素子１０２で変調されなかったＳ偏光は、第２の偏光板１０３で吸収される。

本実施例でも、第２のレンズ系９９と第３のレンズ系１００により構成される結像光学系を、第１の光変調素子側と第２の光変調素子側の両側においてテレセントリックな光学系として構成している。そして、この結像光学系の結像倍率βも、式（１）（望ましくは式（２））の条件を満足している。

また、図５には第２の光変調素子１０２を１つのみ示しているが、実施例１で図３を用いて説明したように、実際にはＲ，ＧおよびＢに対応した３つの第２の光変調素子が設けられている。不図示の色分解合成光学系は、これら３つの第２の光変調素子に対してそれぞれ照明光であるＲ光、Ｇ光およびＢ光を導き、３つの第２の光変調素子からの画像光としてのＲ光、Ｇ光およびＢ光を合成する。

図６には、本発明の実施例４であるプロジェクタの光学系全体の構成を示している。本実施例では、第２の光変調素子としてマイクロミラーアレイを用いている。

光源ユニット１１１からの照明光は、第１のフライアイレンズ１１３に入射して複数の光束に分割され、かつそれぞれの光束が集光される。複数の光束は、第２のフライアイレンズ１１４を通過して複数の光源像を形成する。光源像が形成される位置の近傍には、偏光変換素子１１５が設けられている。

偏光変換素子１１５に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子１１５によって特定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）に変換されて、第１のレンズ系１１６を介して第１の光変調素子１１７に到達してこれを照明する。透過型液晶パネルにより構成された第１の光変調素子１１７は、実施例１で説明した入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調することで輝度変調光を生成してこれを透過させる。

第１の光変調素子１１７から出射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、第１の偏光板（吸収型偏光板）１１８を透過して第２のレンズ系１１９に入射する。このとき、第１の光変調素子１１７で変調されなかったＰ偏光は、第１の偏光板１１８で吸収される。

第２のレンズ系１１９で集光された輝度変調光は、第３のレンズ系１２０でさら集光され、ＴＩＲ（Total internal reflection）プリズム１２１で全反射されて第２の光変調素子１２２に入射する。ＤＭＤにより構成される第２の光変調素子１２２は、上記入力画像信号により駆動されて輝度変調光を変調することで画像光（ＯＮ光）を生成する。第２の光変調素子１２２からのＯＮ光はＴＩＲプリズム１２２を透過して投射レンズ１１２を介して不図示のスクリーンに投射される。一方、第２の光変調素子１２２からのＯＦＦ光（黒表示光）はＯＮ光とは異なる方向に反射されて投射レンズ１１２には入射しない。

本実施例でも、第２のレンズ系１１９と第３のレンズ系１２０により構成される結像光学系を、第１の光変調素子側と第２の光変調素子側の両側においてテレセントリックな光学系として構成している。そして、この結像光学系の結像倍率βも、式（１）（望ましくは式（２））の条件を満足している。

第２の光変調素子１２２に入射する光の光利用効率を改善するために、ＴＩＲプリズム１２１と第２の光変調素子１２２との間にλ／４板を配置してもよい。ＴＩＲプリズムは、全反射特性はＳ偏光に対して良好で、透過率特性はＰ偏光に対して良好である。第１の光変調素子１１７で変調されたＳ偏光は、ＴＩＲプリズム１２１で全反射され、λ／４板を透過して円偏光に変換された後、第２の光変調素子１２２で反射される。第２の光変調素子１２２からのＯＮ光は、再度λ／４板を透過してＰ偏光に変換され、ＴＩＲプリズム１２１を透過して投射レンズ１１２に導かれる。

図７には、本発明の実施例５であるプロジェクタの光学系全体の構成を示している。光源１５１は、レーザ等の所定方向に偏光方向が揃った偏光光を発する偏光光源である。光源１５１からの偏光光（Ｐ偏光）は、集光レンズ１５２で集光されてロッドインテグレータ１５３に入射する。ロッドインテグレータ１５３から出射した照明光は、第１のレンズ系１５４と第２のレンズ系１５５とＰ偏光を透過する偏光板１５６を介して第１の光変調素子１５７に到達してこれを照明する。

第１のレンズ系１５５と第２のレンズ系１５５で構成されるリレーレンズは、ロッドインテグレータ１５３と第１の光変調素子１５７とを共役な関係とするように構成された両側テレセントリックなリレーレンズである。

透過型液晶パネルにより構成された第１の光変調素子１５７は、実施例１で説明した入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調することで輝度変調光を生成してこれを透過させる。第１の光変調素子１５７から出射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、第１の偏光板（吸収型偏光板）１５８を透過して第３のレンズ系１５９に入射する。このとき、第１の光変調素子１５７で変調されなかったＰ偏光は、第１の偏光板１５８で吸収される。

第３のレンズ系１５９で集光された輝度変調光は、さらに第４のレンズ系１６０で集光されて偏光ビームスプリッタ１６１で全反射され、第２の光変調素子１６２に入射する。反射型液晶パネルにより構成された第２の光変調素子１６２は、上記入力画像信号に基づいて輝度変調光を変調することで画像光を生成してこれを反射する。

第２の光変調素子１６２からの画像光（Ｐ偏光）は、第１の偏光ビームスプリッタ１６１を透過して投射レンズ１５２により不図示のスクリーンに投射される。このとき、第２の光変調素子１６１で変調されなかったＳ偏光は、第１の偏光ビームスプリッタ１６１で反射されて光源側に戻される。

本実施例でも、第３のレンズ系１５９と第４のレンズ系１６０により構成される結像光学系を、第１の光変調素子側と第２の光変調素子側の両側においてテレセントリックな光学系として構成している。そして、この結像光学系の結像倍率βも、式（１）（望ましくは式（２））の条件を満足している。

また、図７には第２の光変調素子１０２を１つのみ示しているが、実施例１で図３を用いて説明したように、実際にはＲ，ＧおよびＢに対応した３つの第２の光変調素子が設けられている。第１の偏光ビームスプリッタ１６１は、これら３つの第２の光変調素子に対してそれぞれ照明光であるＲ光、Ｇ光およびＢ光を導き、３つの第２の光変調素子からの画像光としてのＲ光、Ｇ光およびＢ光を合成する色分解合成光学系の一部を構成する。

本実施例において第１の偏光ビームスプリッタ１６１は、プリズム型ＰＢＳであるが、これに代えてＷＧ−ＰＢＳを用いてもよい。

図８には、本発明の実施例６であるプロジェクタの光学系全体の構成を示している。光源ユニット２０１からの照明光は、第１のフライアイレンズ２０２に入射して複数の光束に分割され、かつそれぞれの光束が集光される。複数の光束は、第２のフライアイレンズ２０３を通過して複数の光源像を形成する。光源像が形成される位置の近傍には、偏光変換素子２０４が設けられている。

偏光変換素子２０４に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子２０４によって特定の偏光方向を有する偏光光（ここではＰ偏光とする）に変換され、第１のレンズ系２０５を介して第１の光変調素子２０６に到達してそれを照明する。透過型液晶パネルにより構成された第１の光変調素子２０６は、実施例１で説明した入力画像信号に基づいて駆動されて照明光を変調することで輝度変調光を生成してこれを透過させる。

第１の光変調素子２０６から出射した輝度変調光（Ｓ偏光）は、第１の偏光板（吸収型偏光板）２０８を透過して第２のレンズ系２０８に入射する。このとき、第１の光変調素子２０６で変調されなかったＰ偏光は、第１の偏光板２０７で吸収される。

第２のレンズ系２０８で集光された輝度変調光は、クロスダイクロイックミラー（色分離素子）２０９で第１の色光（Ｂ光）と第２の色光（Ｇ光＋Ｒ光）に分離される。

第１の色光は、第１のミラー２１０で反射され、Ｂ用の第３のレンズ系２１２Ｂおよび偏光ビームスプリッタ２１４Ｂを介してＢ用の第２の光変調素子２１５Ｂに入射する。入力画像信号に基づいて駆動される第２の光変調素子２１５Ｂにより変調された画像光である第１の色光（Ｐ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッタ２１５Ｂを透過してクロスダイクロプリズム２１６に向かう。そして、クロスダイクロプリズム２１６で反射されて投射レンズ２１７により不図示のスクリーンに投射される。

第２の色光は、Ｙ用の第３のレンズ系２１２Ｙを透過して、ダイクロイックミラー２１３により第３の色光（Ｇ光）と第４の色光（Ｒ光）に分離される。第３の色光は、Ｇ用の偏光ビームスプリッタ２１４Ｇを介してＧ用の第２の光変調素子２１５Ｇに入射する。第２の光変調素子２１５Ｇで変調された第３の色光（Ｐ偏光光）は、偏光ビームスプリッタ２１５Ｇを透過し、クロスダイクロプリズム２１６を透過して投射レンズ２１７によりスクリーンに投射される。

第４の色光は、Ｒ用の偏光ビームスプリッタ２１５Ｒを介してＲ用の第２の光変調素子２１５Ｒに入射する。第２の光変調素子２１５Ｒで変調された画像光としての第４の色光（Ｐ偏光）は、偏光ビームスプリッタ２１５Ｒを透過し、クロスダイクロプリズム２１６で反射されて投射レンズ２１７によりスクリーンに投射される。

本実施例でも、第２のレンズ系２０８と第３のレンズ系２１２（Ｒ，Ｙ）により構成される結像光学系を、第１の光変調素子側と第２の光変調素子側の両側においてテレセントリックな光学系として構成している。そして、この結像光学系の結像倍率βも、式（１）（望ましくは式（２））の条件を満足している。

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。

７，８結像光学系を構成するレンズ系
１１第１の光変調素子
１２第２の光変調素子
１３光源ユニット

Claims

光源からの第１の光を変調して第２の光を生成する第１の光変調素子と、
前記第２の光を変調する第２の光変調素子と、
前記第２の光を前記第２の光変調素子上に結像させる結像光学系とを有し、
前記第２の光変調素子からの光により形成される画像を被投射面に投射する画像投射装置であって、
前記結像光学系の結像倍率βが、
β≦０．９５
なる条件を満足することを特徴とする画像投射装置。
前記第１の光変調素子において前記第１の光が入射する領域の面積が、前記第２の光変調素子において前記第２の光が入射する領域の面積より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。
前記第１の光変調素子において前記第１の光を変調する有効画素領域が、該第１の光変調素子において光の変調が可能な変調可能画素領域より狭い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。
前記第１の光変調素子において前記第１の光を変調する有効画素領域が、前記第２の光変調素子において前記第２の光を変調する有効画素領域と相似な形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像投射装置。
前記第１の光変調素子の画素数は、前記第２の光変調素子の画素数よりも少ないことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像投射装置。
前記結像光学系は、前記第１の光変調素子側および前記第２の光変調素子側においてテレセントリックな光学系である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。
前記第１の光変調素子と前記第２の光変調素子との間に、前記第２の光を複数の色光に分離する色分離素子が設けられ、
前記第１の光変調素子と前記色分離素子との間に偏光板が設けられてい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。
前記偏光板は、吸収型偏光板であることを特徴とする請求項７に記載の画像投射装置。
前記光源と前記第１の光変調素子との間に、前記第１の光を偏光光に変換する偏光変換素子が設けられており、
前記第１の光変調素子は液晶パネルであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像投射装置。