JP2019032496A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって光変調素子の有効画素領域外から投射される光を低減する。【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。第１の光は、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Ｂ１のうち第１の光を変調する有効画素領域Ａ１よりも広い領域Ｃ１に入射する。画像投射装置は、第１の光変調素子において変調可能画素領域のうち有効画素領域より外側の周辺画素Ｄ１を、該周辺画素からの光が第２の光変調素子に到達しないように制御する制御手段２０を有する。【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。

プロジェクタには、反射型光変調素子（反射型液晶パネル等）を用いて光源からの照明光を変調および反射して画像をスクリーン等の被投射面に投射するものがある。反射型光変調素子を用いる場合に、該光変調素子のうち画像投射のために照明光を変調する有効画素領域の外側の非有効領域に照射された照明光も反射されて被投射面に投射され、投射画像の画質が低下するという問題がある。

この問題に対して、特許文献１に開示されたプロジェクタでは、光変調素子と共役となる位置に開口を有する遮蔽板を設け、さらに該遮蔽板の位置を調整する機構を設けることで、開口を通った照明光が光変調素子の有効画素領域にのみ入射するようにしている。

特開２００８−００３２１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたプロジェクタでは、光源からの光を受ける遮蔽板が発熱により変形することで照明光が非有効領域にも照射されるおそれがある。また、遮蔽板の位置を調整する機構を設けることで構成が複雑化する。

本発明は、簡易な構成によって光変調素子の有効画素領域外から投射される光を低減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、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。第１の光は、第１の光変調素子において変調可能画素領域のうち有効画素領域より外側の周辺画素を、該周辺画素からの光が第２の光変調素子に到達しないように制御する制御手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、第１の光変調素子の周辺画素で反射して第２の光変調素子を介して投射される光を簡易な構成によって低減することができる。

本発明の実施例１であるプロジェクタの光学系の構成を示す断面図。 実施例における第１の光変調素子と第２の光変調素子を示す図。 実施例のプロジェクタの光学系の詳細構成を示す断面図。 実施例のプロジェクタにおいて第１の光変調素子に対して行われる変調制御処理を示すフローチャート。 実施例のプロジェクタにおいて第１の光変調素子に対して行われる有効画素領域調整処理を示すフローチャート。

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、第１のレンズ系８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上に結像させる結像光学系は、第１のレンズ系７と上記第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。

ここで、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を、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ように設定している。これにより、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するとともに、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１２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とができる。これは、照明光が入射する第１の光変調素子１１の光密度を、第１の光変調素子１１（反射率６０〜８０％程度）からの輝度変調光が入射する第２の光変調素子１２より下げるためである。一般的に、光変調素子の寿命は、光密度の増加に比例して短くなる。このため、第１の光変調素子１１の光密度を下げることで、第１の光変調素子１１の寿命が第２の光変調素子１２より短くなるのを避けることができる。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。

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２に模式的に示す。図２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２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（または僅かに広い）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。

なお、第２の光変調素子１１の有効画素領域Ａ２を結像光学系（７，８）を介して第１の光変調素子１１に逆投影したときに像（共役像）が形成される領域が第１の光変調素子１１における有効画素領域Ａ１に相当する。

結像光学系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の位置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で高コントラストを実現することができる。

ただしこのような構成を採ると、第１の光変調素子１１では、変調可能画素領域Ｂ１のうち有効画素領域Ａ１の外側の周辺領域Ｄ１に含まれる少なくとも一部の画素（以下、周辺画素という）にも照明光が入射する。つまり、光入射領域Ｃ１に、有効画素領域Ａ１の画素だけでなく周辺画素も含まれる。そして、周辺画素で反射した照明光（不要反射光）が第２の光変調素子１２や投射レンズ１０を介して被投射面に投射されると、投射画像の画質が劣化する。

そこで本実施例では、第１の光変調素子１１の周辺画素を、これに入射して反射する照明光を上述した「変調されなかった光（Ｐ偏光）」となるように制御する。これにより、周辺画素で反射した光を第１の偏光ビームスプリッタ６（偏光分離部）を透過させて光源ユニット側に戻す。すなわち、第１の光変調素子１１の周辺画素を、該周辺画素からの光が第２の光変調素子１２（有効画素領域Ａ２やそれよりも外側の枠部分）に到達しないように制御する。具体的には、周辺画素を黒表示状態となるように制御する。

この結果、第１の光変調素子１１として反射型光変調素子を用いる場合に不要反射光が被投射面に投射されて画質が低下するという問題を回避することができる。

図１に示したコンピュータとしてのコントローラ２０は、図４のフローチャートに示す変調制御処理をコンピュータプログラムにより実行する。なお、プロジェクタの工場での調整時に、不図示のメモリに、第１の光変調素子１１における有効画素領域Ａ１と周辺画素（領域Ｄ１）の位置データが記憶されている。

ステップ（図にはＳと略記する）１０１において、コントローラ２０は、上記メモリから有効画素領域Ａ１と周辺画素（領域Ｄ１）の位置データを読み込む。

次に、ステップ１０２では、コントローラ２０は、画像投射の開始トリガに応じて、入力画像信号に基づいて、第１の光変調素子１１の有効画素領域Ａ１内の画素を照明光の輝度変調を行うように制御する。また、コントローラ２０は、第１の光変調素子１１の周辺画素を黒表示状態とするように制御する。さらに、コントローラ２０は、第２の光変調素子１２の有効画素領域Ａ２内の画素を輝度変調光の画像変調を行うように制御する。

そして、コントローラ２０は、ステップ１０３において画像投射の終了トリガがあるまでステップ１０２の処理を行い、終了トリガがあると本処理を終了する。

また、図５のフローチャートには、前述したように第１の光変調素子１１の変調可能領域Ｂ１（光入射領域Ｃ１）内で有効画素領域Ａ１を移動させる有効画素領域調整処理を示す。変更手段としてのコントローラ２０は、本処理をコンピュータプログラムにより実行する。ここでは、プロジェクタが、ユーザが有効画素領域Ａ１を移動する指示（調整指示）を入力可能な操作部（図示せず）と、投射画像を撮像可能なカメラ（図示せず）とを有する場合について説明する。

ステップ２０１において、コントローラ２０は、操作部から調整指示が入力されたか否かを判定する。調整指示が入力された場合はステップ２０４に進み、調整指示が入力されていない場合はステップ２０２に進む。

ステップ２０２では、コントローラ２０は、カメラにより投射画像を撮像する。そして、次のステップ２０３では、コントローラ２０は、撮像された投射画像と入力画像信号により表される画像（入力画像）とを比較して、投射画像の上下左右の端部付近に入力画像に対する欠損があるか否かを判定する。コントローラ２０は、欠損がなければステップ２０１に戻り、欠損がある場合はその欠損を補正するために必要な有効画素領域Ａ１の移動方向と移動量を算出してステップ２０４に進む。

ステップ２０４では、コントローラ２０は、ステップ２０１で得られた調整指示が示す移動方向と移動量に応じて、又はステップ２０３で算出した移動方向と移動量に応じて、第１の光変調素子１１の変調可能領域Ｂ１内で有効画素領域Ａ１を移動させる。そして、本処理を終了する。

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）／（ｙ１／ｘ１）≦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。一方、第１の光変調素子１１の解像度が高いほど、その有効画素領域Ａ１から第２の光変調素子１２の有効画素領域Ａ２に向かう輝度変調光の位置調整をより細かく行うことができる。これらのバランスを考慮すると、第１の光変調素子１１の縦横（互いに直交する２方向）での解像度がそれぞれ、第２の光変調素子１２の縦横での解像度の１／４以上であることが好ましい。

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（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。

本実施例では第１の光変調素子１１を１つのみ用いる場合について説明したが、第１の光変調素子をＲ，ＧおよびＢの色光ごとに設けてもよい。

また、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。

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、光変調素子１１、１２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ＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いてもよい。

第１の光変調素子が透過型液晶パネルである場合、第１の光変調素子から第２の光変調素子に至るまでの光路に偏光板を設けてもよい。この場合、制御手段が、有効画素からの光が前述の偏光板を透過し、周辺画素からの光が前述の偏光板によって吸収あるいは反射されるように有効画素及び周辺画素を制御すればよい。 また、第１及び第２の光変調素子は同じタイプである必要はなく、例えば、第１の光変調素子が透過型液晶パネルで、第２の光変調素子は反射型液晶パネルであってもよい。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

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
Ａ１，Ａ２ 有効画素領域
Ｂ１，Ｂ２ 変調可能領域
Ｃ１，Ｃ２ 光入射領域

Claims (8)

1. 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、
   前記第１の光は、前記第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のうち前記第１の光を変調する有効画素領域よりも広い領域に入射し、
   前記第１の光変調素子において前記変調可能画素領域のうち前記有効画素領域より外側の周辺画素を、該周辺画素からの光が前記第２の光変調素子に到達しないように制御する制御手段を有することを特徴とする画像投射装置。
2. 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を有することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記第１の光変調素子は透過型液晶パネルであり、
   前記第１の光変調素子から前記第２の光変調素子に至るまでの光路上に偏光板が設けられており、
   前記制御手段は、前記周辺画素からの光が前記偏光板によって吸収あるいは反射されるように該周辺画素を制御す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. 前記制御手段は、前記周辺画素を黒表示状態となるように制御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。
5. 前記第１の光変調素子は反射型液晶パネルであり
   前記第１の光変調素子から前記第２の光変調素子に至るまでの光路上に偏光分離部が設けられており、
   前記制御手段は、前記周辺画素からの光が前記偏光分離部を介して前記第２の光変調素子とは異なる方向に導かれるように該周辺画素を制御する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。
6. 前記第１の光変調素子の前記変調可能画素領域において前記有効画素領域の位置を変更する変更手段を有す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。
7. 前記第１の光変調素子の互いに直交する２方向での解像度がそれぞれ、前記第２の光変調素子の前記２方向での解像度の１／４以上である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。
8. 前記第１の光変調素子における前記有効画素領域が、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７のいずれか一項に記載の画像投射装置。