JP3589225B2 - プロジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像を投写表示するプロジェクタ（投写型表示装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プロジェクタでは、光源装置から射出された光を照明光として、電気光学装置の照明領域（光照射面）が照明される。そして、電気光学装置の光照射面に入射した光が、画像情報（画像信号）に応じて変調され、電気光学装置から画像を表す画像光が射出される。電気光学装置から射出された画像光を、投写光学系を介してスクリーン上に投写することにより画像が表示される。電気光学装置としては、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ、ＴＩ社の商標）のようなマイクロミラー型光変調装置や液晶パネルが多く利用されている。なお、ＤＭＤは、液晶パネルに比べて光照射面に照射された光の利用効率が高い電気光学装置である。
【０００３】
１つの電気光学装置を利用するプロジェクタ（「単板式プロジェクタ」とも呼ばれる。）では、例えば、次のようにしてカラー表示を実現することができる。すなわち、照明光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する３つの色フィルタを有するカラーホイールに入射させて、照明光に含まれるＲＧＢ３原色の光を順に循環的に透過して射出させる。電気光学装置の光照射面には、カラーホイールから射出された３原色の光が順に照射される。電気光学装置では、順に照射される光を、その光の色に対応する色信号によって変調することにより、それぞれの色信号に対応する画像光を生成する。生成された各色の画像光の表す画像（以下、「色成分画像」とも呼ぶ。）を順に投写する。順に投写された３つの色成分画像は、人間の目の残像効果によって合成されて１つのカラー画像として見えることになる。
【０００４】
このように、ＲＧＢ３原色の光に対応する色成分画像を順に表示させてカラー画像を表示（「時分割表示」あるいは「フィールドシーケンシャル表示」とも呼ぶ。）させる場合、カラーホイールを透過しない色の光が無駄となる。例えば、Ｒ光が透過されるときにはＧ光及びＢ光が、Ｇ光が透過されるときにはＢ光及びＲ光が、Ｂ光が透過されるときにはＲ光及びＧ光が無駄になる。このため、光源装置から射出された光が照明光として十分に利用されず利用効率の点で問題がある。
【０００５】
このような問題を解決して光の利用効率を向上させる方法が、ＳＯＣＩＥＴＹ ＦＯＲ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＩＳＰＬＡＹ ２００１ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＤＩＧＥＳＴ ＯＦ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＰＡＰＥＲＳ・Ｖｏｌｕｍｅ ＸＸＸＩＩ（ ｐａｇｅ １０７６）に記載されたＳｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ： Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｓｃｒｏｌｌｉｎｇ Ｃｏｌｏｒ（Ｄ． Ｓｃｏｔｔ Ｄｅｗａｌｄ， Ｓｔｅｖｅｎ Ｍ． Ｐｅｎｎ， ａｎｄ Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄａｖｉｓ）で提案されている。
【０００６】
図５は、上記文献において説明されているＳＣＲ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ）技術を用いたプロジェクタの要部を示す概略平面図である。このプロジェクタ（以下、「ＳＣＲプロジェクタ」と呼ぶ。）１０００は、光源装置１００と、ＳＣＲ用のインテグレータロッド（以下、「ＳＣＲインテグレータ」と呼ぶ。）２００と、ＳＣＲ用のカラーホイール（以下、「ＳＣＲホイール」と呼ぶ）。３００と、リレー光学系４００と、反射ミラー５００と、フィールドレンズ６００と、ＤＭＤ７００と、投写レンズ（投写光学系）８００とを、システム光軸（中心軸）１０００ａｘに沿って順に配置して構成されている。
【０００７】
光源装置１００から射出された光は、ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２から内部に効率よく入射するように、システム光軸１０００ａｘ上の光入射面２０２上でほぼ集束するような集光光とされる。具体的には、光源装置１１０は、回転楕円面形状の反射面を有する楕円リフレクタ１１０と、メタルハライドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯が利用される光源ランプ１２０とで構成される。光源ランプ１２０は、楕円リフレクタ１２０の第１焦点Ｆ１に配置され、ＳＣＲインテグレータ１３０は、その光入射面２０２が楕円リフレクタ１１０の第２焦点Ｆ２となるように配置される。このような構成とすることにより、光源装置１００は、システム光軸１０００ａｘ上の光入射面２０２上でほぼ集束する集光光を射出することができる。
【０００８】
なお、光源ランプ１２０のアーク像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＡとし、ＳＣＲインテグレータ１３０の光入射面上に結像される像（以下、「２次光源像」と呼ぶ）の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＳＰとし、楕円リフレクタ１１０の第１，第２焦点距離をｆ１，ｆ２とすると、２次光源像の大きさＤＳＰは、以下の式で表される。
【０００９】
ＤＳＰ＝ＤＡ・ｆ２／ｆ１ …（１）
【００１０】
上記（１）式からわかるように、第１焦点距離ｆ１または第２焦点距離ｆ２の異なる楕円リフレクタを適宜利用することにより、２次光源像の大きさを調整することが可能である。
【００１１】
ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２から内部に入射した光は、内部で反射しながら光射出面２０４から射出する。ＳＣＲインテグレータは、内部で反射を繰り返すことにより、光入射面２０２から入射した光の照度分布が一様でない場合においても、照度分布が一様な光に変換して光射出面から射出する機能を有している。
【００１２】
図６は、ＳＣＲインテグレータ２００を示す説明図である。図６（Ｂ）はＳＣＲインテグレータ２００の平面図を示し、図６（Ａ）は光入射面２０２側の側面図を示し、図６（Ｃ）は光射出面２０４側の側面図を示している。ＳＣＲインテグレータ２００は、光入射面２０２及び光射出面２０４が矩形状の輪郭を有する四角柱状の透光性ロッドである。光射出面２０４の輪郭形状は、通常、ＤＭＤ７００の光照射面（照明領域）に照射される光の照明効率を考慮して、この光照射面に相似な形状とされる。例えば、ＤＭＤ７００の光照射面のアスペクト比（縦横比）は、約４：３あるいは約１６：９であるので、光射出面２０４の輪郭形状も同様に約４：３あるいは約１６：９となるように構成されている。
【００１３】
光入射面２０２の表面上には、光入射面２０２と接する側を反射面とする反射ミラー２０６が形成されている。この反射ミラー２０６には、システム光軸１０００ａｘに一致するように配置されるＳＣＲインテグレータ２００の中心軸２００ａｘを中心とする円系の開口部２０６ａが形成されている。開口部２０６ａを通過する光のみが光入射面２０２からＳＣＲインテグレータ２００の内部に入射可能である。従って、上記（１）式で表される２次光源像の大きさＤＳＰは、開口部２０６ａを効率良く通過して光入射面２０２からＳＣＲインテグレータ２００に入射するように、開口部２０６ａの大きさよりも小さくなるように調整されることが好ましい。なお、反射ミラー２０６における光の反射機能については、後でさらに説明する。
【００１４】
開口部２０６ａの大きさは、光源装置１００からＳＣＲインテグレータ２００内に入射させる光の入射効率と、後述する反射ミラー２０６における光の反射効率とを考慮して適宜設定される。通常、開口部２０６ａの開口径は、反射ミラー２０６の長手方向の長さに対して１／３程度の長さに設定される。
【００１５】
反射ミラー２０６は、開口部２０６ａに対応する部分を除く光射出面２０２上にアルミニウム膜、銀膜等を形成することにより形成される。また、誘電体多層膜（コールドミラー等）を蒸着することによっても形成可能である。また、ＥＳＲフィルム（３Ｍ社製）を貼り付けることによっても形成可能である。なお、平板状の透明体（例えばガラス板）にアルミニウム膜、銀膜、誘電体多層膜、ＥＳＲフィルム等を選択的に形成したものを、光射出面２０２に近接配置したり、貼り合わせたりすることも可能である。
【００１６】
図５のＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出された光は、ＳＣＲホイール３００に入射する。
【００１７】
図７は、ＳＣＲホイール３００を示す説明図である。ＳＣＲホイール３００は、回転軸３２０を中心に図示しないモータによって回転可能に構成された円板状のフィルタ面３１０を有している。フィルタ面３１０には、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの色フィルタの境界線（図中実線で示す曲線）が、フィルタ面３１０上における回転軸３２０上の中心点を中心にアルキメデスのスパイラルを形成するように配列形成されている。Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの色フィルタは、それぞれ対応する色光を透過し、他の色光を反射するフィルタである。これらの色フィルタは、それぞれ対応するダイクロイック膜をフィルタ面３１０上にコーティングすることにより形成される。
【００１８】
ＳＣＲホイール３００は、フィルタ面３１０がＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４に平行に近接配置される。
【００１９】
ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光は、図７に破線で示したように、ある時間タイミングにおいて複数の色フィルタに入射し、それぞれ対応する色光のみを透過し、他の色光を反射する。
【００２０】
図８は、ＳＣＲホイール３００で反射された光について示す説明図である。例えば、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出されてＳＣＲホイール３００のフィルタ面３１０上に形成されたＲ光透過フィルタ３１０Ｒに入射した光のうち、Ｒ光は透過され、Ｇ光およびＢ光は反射されて光射出面２０４からＳＣＲインテグレータ２００の内部に再び入射する。
【００２１】
この反射されたＧ光およびＢ光（以下、「ＧＢ光」と呼ぶ。）は、ＳＣＲインテグレータ２００の内部で反射を繰り返しながら光入射面２０２の方向へ進む。光入射面２０２上には、反射ミラー２０６が形成されているので、光入射面２０２に到達したＧＢ光は、反射ミラー２０６の開口部２０６ａを通過する一部のＧＢ光を除いて反射ミラー２０６で反射される。
【００２２】
反射ミラー２０６で反射されたＧＢ光はＳＣＲインテグレータ２００の内部を反射しながら光射出面２０４の方向へ進み、光射出面２０４から射出されて、再度ＳＣＲホイール３００に入射する。再度ＳＣＲホイール３００に入射したＧＢ光が、透過可能な色フィルタ、例えば、Ｇ光ならばＧ光透過フィルタ３１０Ｇ、Ｂ光ならばＢ光透過フィルタ３１０Ｂに入射した場合には、ＳＣＲホイール３００を通過して照明光として利用可能となる、一方、再度ＳＣＲホイール３００に入射したＧＢ光が、透過不可のフィルタ、すなわち、Ｒ光透過フィルタ３１０Ｒに入射した場合には、再び反射されて、透過可能なフィルタに入射して有効な光として利用されるまでＳＣＲインテグレータ２００内を繰り返し往復することになる。
【００２３】
なお、上述の説明は最初にＲ光フィルタ３１０Ｒに入射する光の場合を例に説明しているが、他のＧ光透過フィルタ３１０ＧあるいはＢ光透過フィルタ３１０Ｂに最初に入射する光においても同様である。
【００２４】
この結果、ＳＣＲホイール３００で反射されて有効に利用されなかった光を再利用することが可能となる。従って、フィールドシーケンシャル表示においてカラーホイールによって発生していた光の無駄を抑制して、光源装置１００から射出された光を効率良く利用することが可能である。なお、このように光を再利用する技術を、「ＳＣＲ技術」と呼んでいる。
【００２５】
リレー光学系４００は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で所定の結像倍率で結像する機能を有しており、少なくとも１つの集束レンズにより構成することができる。なお、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像された像が照明領域に相当する。なお、ＳＣＲホイール３００のフィルタ面３１０はＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４に近接配置されているので、リレー光学系４００は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で所定の結像倍率で結像すると考えてもよい。なお、結像される像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）ＤＡは、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＩとし、結像倍率をｋｓとすると、以下の式で表される。
【００２６】
ＤＡ＝ＤＩ・ｋｓ …（２）
【００２７】
なお、所定の結像倍率ｋｓは、ＤＭＤ７００の光照射面を効率よく照明するように、結像される像（照明領域）の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）ＤＡが光照射面の大きさにほぼ等しくなるように設定される。通常、結像倍率ｋｓは、約１．５倍〜約２．５倍の範囲で設定される。
【００２８】
反射ミラー５００は、リレー光学系４００から射出された光がフィールドレンズ６００を介してＤＭＤ７００に入射するように反射する。なお、反射ミラー５００は、必ずしも必要な構成要素ではなく、省略することも可能である。
【００２９】
ＤＭＤ７００は、光照射面に照射された光を画像信号（画像情報）に応じて各画素に対応するマイクロミラーで反射することにより、画像を表す画像光を投写レンズ８００の方向に射出する機能を有する反射方向制御型光変調装置である。ＤＭＤ７００から射出される画像光は、フィールドレンズ６００及び投写レンズ８００を介して投写される。これにより、画像光の表す画像が投写表示される。
【００３０】
なお、反射ミラー５００からＤＭＤ７００までのシステム光軸１０００ａｘは、ＤＭＤ７００の上述の反射方向を制御する機能上の制約のため、ＤＭＤ７００から投写レンズ８００までのシステム光軸１０００ａｘ（ＤＭＤ２００の光照射面の法線に平行な軸である。）に対して所定の傾きを有するように構成されている。ここで、ＤＭＤ７００の「光照射面」は、照射された光を画像光として利用可能な領域、すなわち、後述するマイクロミラーが形成されている領域を示す。なお、「所定の傾き」については、ここでは、特に問題ではないため説明を省略する。
【００３１】
ところで、図９は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像を模式的に示す説明図である。ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光は、図７に破線で示したように、あるタイミングにおいて複数の色フィルタに入射する。従って、ＳＣＲホイール３００を通過した光は、図９に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの複数の色光の領域に区分される。また、ＳＣＲホイール３００の回転に応じて、各色フィルタの境界は放射方向に移動するので、これに応じて、ＳＣＲホイール３００を通過した光のＲ，Ｇ，Ｂの複数の色光に区分されている領域のパターンは、例えば、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、例えば、表示タイミングＴ＝０における状態から、表示タイミングＴ＝１における状態へと変化する。なお、表示タイミングとは、表示画像のデータを更新する単位時間を示している。
【００３２】
従って、ある表示タイミングにおいて、ＤＭＤ７００の各画素には、その画素に照射されている光の色に応じた色成分画像に相当する画像信号を供給する必要がある。照明される光の色のパターンは、例えば、ＳＣＲホイールの回転に応じて変化する、ＳＣＲホイール３００上に設けられた図示しない基準点の位置に応じて一義的に決定することが可能である。画像処理回路では、この基準点の位置を観測することにより対応する光の色のパターン情報を求めて、このパターン情報に応じた画像信号を生成して、ＤＭＤ７００に供給している。
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は、上記ＳＣＲプロジェクタ１０００における問題点を示す説明図である。図１０は、ある表示タイミングにおいて、ＤＭＤ７００の各画素に供給される画像信号を対応する色ごとに区分した状態を示している。図中に示す破線は、各画素を照明する光の複数の色光に区分された領域の境界線（以下、「色光境界線」と呼ぶ。）のうち、Ｒ光領域とＢ光領域との色光境界線を示している。図１０（Ａ）に示すように、Ｒ光領域とＢ光領域の色光境界線は、実線で示されたＲの画像領域とＢの画像領域の境界線に一致することが好ましい。図１０（Ｂ）に示すように、色光境界線の位置がずれて照明されたり、図１０（Ｃ）に示すように、色光境界線がぼやけて照明されたり、図１０（Ｄ）に示すように、色光境界線が歪んで照明されたりすると、供給されている画像信号の色と照射される光の色とが異なる画素が発生し、表示画像の画質の劣化を招くことになる。
【００３４】
従って、ＳＣＲ技術を用いたプロジェクタにおいては、ＳＣＲホイールを通過した光の像を電気光学装置の光照射面上で結像させることにより電気光学装置の光照射面を照明する際に、ＳＣＲホイールを通過した光に含まれる複数の色光の区分領域の境界線を、電気光学装置の光照射面上で高精度に結像させることが望まれている。
【００３５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、ＳＣＲを適用したプロジェクタにおいて、照明領域としての光の像を高精度に結像させて、表示画像の品質を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明のプロジェクタは、
中心軸上の所定の位置で集束する集光光を射出する光源装置と、
前記所定の位置近傍に光入射面を有し、前記光源装置から射出された光を均一化するためのインテグレータロッドと、
前記インテグレータロッドの光射出面に近接して配置されたカラーホイールと、
前記インテグレータロッドの光射出面における光の像を所定の照明領域上で結像するためのリレー光学系と、
画像を表す画像信号を出力する画像処理回路と、
前記所定の照明領域を有し、前記リレー光学系から射出されて該所定の照明領域を照明する光から、前記画像処理回路が出力する画像信号に応じて前記画像を表す画像光を生成する電気光学装置と、
前記電気光学装置から射出された画像光の表す画像を投写する投写光学系と、を備え、
前記インテグレータロッドの光入射面には、前記中心軸を中心とする開口部と、前記開口部の外周側に位置し、該インテググレータロッド内を前記光射出面側から前記光入射面側に進む光を反射する反射面とを有する反射ミラーが形成されており、
前記カラーホイールは、所望の色光を透過し他の色光を反射する反射型色フィルタが、前記インテグレータロッドから射出された光を複数の色光に区分して透過するようにスパイラル状に複数形成され、該カラーホイールが前記中心軸に平行な回転軸を中心に回転することにより、前記カラーホイールを透過する光に含まれる複数の色光の区分領域が循環的に変化するように構成されており、
前記画像処理回路は、前記カラーホイールに設けられた基準点の位置を観測し、前記基準点の位置に応じて前記電気光学装置を照明する色光のパターンを決定し、前記色光のパターンに対応する画像信号を生成して前記電気光学装置に出力し、
前記リレー光学系は、前記画像処理回路から前記電気光学装置に入力される前記画像信号によって表される前記色光のパターンの境界線と、前記リレー光学系から射出され前記所定の領域上で結像する前記複数の色光の区分領域の境界線とが一致するように、前記所定の照明領域として結像する光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を補正するための第１の光学要素と、少なくとも色収差を補正するための第２の光学要素とを含んでいることを特徴とする。
【００３７】
本発明のプロジェクタでは、リレー光学系によって、所定の照明領域として結像する光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差と色収差とを補正することができるので、カラーホイールを通過した光に含まれる複数の色光の区分領域の境界線を、歪曲収差や色収差の発生を抑制して、画像処理回路から電気光学装置に入力される画像信号によって表される前記色光のパターンの境界線と一致するように高精度に結像させることが可能となる。これにより、照明領域としての光の像を高精度に結像させて、投写される画像の表示品質を高めることができる。
【００３８】
ここで、前記第１の光学要素は、非球面状の凸面を有する少なくとも１つの集束レンズを含み、
前記第２光学要素は、球面状の凹面を有する少なくとも１つの発散レンズを含むことが好ましい。
【００３９】
この構成によれば、第１の光学要素および第２の光学要素を容易に構成することができる。
【００４０】
なお、前記発散レンズは、４０以下のアッベ数を有する比較的分散の高い光学ガラス材料で形成されていることが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、色収差を補正するための発散レンズをより高精度に実現可能である。
【００４２】
また、前記発散レンズは、球面状の凸面を有する凸レンズと球面状の凹面を有する凹レンズとが接合された接合レンズであることも好ましい。
【００４３】
この構成によっても、容易に第２の光学要素を実現することができる。
【００４４】
ここで、前記接合レンズの前記凹レンズが４０以下のアッベ数を有する比較的分散の高い光学ガラス材料で形成されており、または、前記接合レンズの前記凸レンズが超低分散光学ガラス材料と異常分散光学ガラス材料のいずれかで形成されていることが好ましい。
【００４５】
この構成によれば、色収差を補正するための発散レンズをより高精度に実現可能となる。
【００４６】
なお、前記集束レンズは、アクリル系樹脂材料またはオレフィン系樹脂材料で形成されていることが好ましい。
【００４７】
この構成によれば、歪曲収差を補正するための第１の光学要素を容易、かつ、高精度に構成することが可能となる。
【００４８】
上記各構成のプロジェクタにおいて、
前記光源装置からリレー光学系までの光路中に、約７００ｎｍ〜約２０００ｎｍの赤外光を反射する赤外線反射フィルタを備えることが好ましい。
【００４９】
この構成によれば、約７００ｎｍ〜約２０００ｎｍの赤外光によってリレー光学系に発生する特性の劣化を防止することが可能である。
【００５０】
【発明の実施の形態】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の実施例に係るプロジェクタを示す概略平面図である。プロジェクタ１０００Ａは、従来例で説明したプロジェクタ１０００のリレー光学系４００をリレー光学系４００Ａに置き換えた点を除いて同じ構成を有している。なお、反射ミラー５００を除く各構成要素１００，２００，３００，４００’，６００，７００，８００は、ＳＣＲプロジェクタに最低限必要な構成要素を示しており、各構成要素間に反射ミラーやレンズ等の種々の光学要素を適宜配置することが可能である。各構成要素の機能は従来例と全く同じであるので、以下では、リレー光学系４００’について説明する。
【００５１】
リレー光学系４００’は、３枚の両凸レンズ（以下、単に「凸レンズ」とも呼ぶ。）４１２，４１４，４１８と、１枚の両凹レンズ（以下、単に「凹レンズ」とも呼ぶ。）４１６とで構成された複合レンズであるが、等価的には１枚の両凸レンズとして機能する。従って、リレー光学系４００’は、従来例のリレー光学系４００（図５参照）と同様に、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４における光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で結像する機能、実質的には、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で結像する機能を有している。
【００５２】
リレー光学系４００’を構成する各レンズのレンズ面には、ＤＭＤ７００の光照射面上を照明する照明効率（「光の利用効率」とも呼ぶ。）を向上させるために、可視光域の光の反射を防止する反射防止膜をコーティングすることが好ましい。
【００５３】
３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８の凸面は、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像される光の像に発生し得る種々の収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている。ただし、必ずしもレンズの凸面全体を、歪曲収差が抑制されるように形成する必要はなく、少なくともＳＣＲホイール３００から射出された光が入射する範囲を、歪曲収差が抑制されるように形成するようにすればよい。
【００５４】
なお、凸レンズを形成する材料としては、透明度が高く光の透過率が高いアクリル系樹脂やオレフィン系樹脂材料等のプラスチック（樹脂）材料を用いることが好ましい。ただし、光学ガラス材料を用いて形成することも可能であるが、製造の容易性、製造コスト等を考慮すれば、プラスチック材料を用いることが好ましい。
【００５５】
凹レンズ４１６は、球面形状の凹面を有するレンズある。ここで、一般に、凹レンズによって発生し得る色収差は、凸レンズによって発生する色収差とは反対の特性を示す。そこで、凹レンズ４１６は、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８によって発生し得る色収差をキャンセルするような分散を有する光学ガラス材料を用いて形成されている。なお、光学ガラス材料としては、アッベ数が４０以下のものを用いることが好ましい。ただし、必ずしも光学ガラス材料に限定されるものではなく、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８によって発生し得る色収差をキャンセル可能な光学材料であればよい。
【００５６】
以上、説明したように、リレー光学系４００’は、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像するＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４における光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差および色収差を抑制することが可能である。従って、このリレー光学系４００’を用いたＳＣＲプロジェクタ１０００Ａは、ＳＣＲホイール３００を通過した光に含まれる複数の色光の区分領域の境界線を、少なくとも歪曲収差や色収差の発生を抑制して、ＤＭＤ７００の光照射面上で高精度に結像させることが可能であり、表示画像の品質を高めることができる。
【００５７】
なお、上記リレー光学系４００’では、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８の全ての凸面形状を、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像される光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されているが、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８のうち少なくとも１枚の凸レンズの凸面形状が、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像される光の像に発生し得る種々の収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されているようにしてもよい。
【００５８】
ところで、光源装置１００からリレー光学系４００’までの間の光路上のいずれかの位置には、以下の理由から赤外光を反射する赤外線反射フィルタを設けて、例えば、約７００ｎｍ〜約２０００の赤外光を反射するようにすることが好ましい。
【００５９】
例えば、リレー光学系４００’を構成する凸レンズを形成する材料としてアクリル系樹脂を用いた場合、アクリル系樹脂には、１２００ｎｍ、１４００ｎｍ、１７００ｎｍ付近に光の吸収帯域があるため、これらの帯域の光を吸収して発熱することによる劣化を招く場合がある。従って、上記のように赤外線反射フィルタを設ければ、リレー光学系を構成する凸レンズを、少なくともアクリル系樹脂を用いて形成した場合に、発熱による劣化を防止することができる。
【００６０】
Ｂ．変形例：
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｂ１．変形例１：
上記実施例のリレー光学系４００’は、３枚の両凸レンズ４１２，４１４，４１８と、両凸レンズ４１４，４１８の間に配置された１枚の両凹レンズ４１６とで構成される複合レンズを例に説明しているが、これに限定されるものではない。
【００６１】
図２は、変形例のリレー光学系を示す説明図である。図２（Ａ）のリレー光学系４００Ａに示すよう、両凹レンズ４１６を、２つの両凸レンズ４１２，４１４の間に配置するようにしてもよい。また、図２（Ｂ）のリレー光学系４００Ｂに示すように、両凹レンズ４１６を、ＳＣＲホイール３００側の最前面位置、あるいは、図２（Ｃ）のリレー光学系４００Ｃに示すように反射ミラー５００側の最後面に配置するようにしてもよい。
【００６２】
図３は、別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。図３（Ａ），（Ｂ）のリレー光学系４００Ｄ，４００Ｅに示すように、１枚の両凸レンズ４２２と、１枚の両凹レンズ４２４の２枚の単レンズにより構成することも可能である。なお、図３（Ａ）のリレー光学系４００Ｄと図３（Ｂ）のリレー光学系４００Ｅとは、両凸レンズ４２２と両凹レンズ４２４との前後関係が反対の場合を示している。
【００６３】
両凸レンズ４２２は、上記実施例のリレー光学系４００’の両凸レンズ４１２，４１４，４１８と同様に、ＤＭＤの光照射面上で結像される光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている。また、両凹レンズ４２４は、上記実施例のリレー光学系４００’の両凹レンズ４２４と同様に、両凸レンズ４２２により発生する色収差をキャンセルするように形成されている。
【００６４】
なお、上記実施例および変形例では、リレー光学系を構成する複合レンズに、１枚の両凹レンズを含む場合を例に示しているが、必ずしも１枚である必要はなく、複数の両凹レンズを含むようにしてもよい。
【００６５】
また、上記実施例および変形例では、両凸レンズを用いたリレー光学系を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、平凸レンズ、凸平レンズ、凸凹レンズ、凹凸レンズによる種々の集束レンズ（正レンズ、単に「凸レンズ」とも呼ぶ。）を利用することが可能である。また、上記実施例および上記変形例では、両凹レンズを用いたリレー光学系を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、凸凹レンズ、平凹レンズ、凹平レンズ、凹凸レンズによる種々の発散レンズ（負レンズ、単位「凹レンズ」とも呼ぶ。）を利用することが可能である。
【００６６】
すなわち、リレー光学系を構成する複合レンズは、ＤＭＤの光照射面上で結像される光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている少なくとも１つの集束レンズと、色収差を抑制するように形成されている少なくとも１つの発散レンズとを含むように形成されていればよい。
【００６７】
図４は、さらに別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。
図４（Ａ），（Ｂ）のリレー光学系４００Ｆ，４００Ｇに示すように、１つの接合レンズ４３０と、１枚の両凸レンズ４３２とにより構成することも可能である。
【００６８】
両凸レンズ４３２は、上記実施例のリレー光学系４００’の両凸レンズ４１２，４１４，４１８と同様に、ＤＭＤの光照射面上で結像される光の像に発生し得る種々の収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている。両凸レンズ４３２による色収差を抑制するための発散レンズとしては、単レンズではなく、球面形状の凸面を有する両凸レンズ４３０ａと、球面形状の凹面を有する両凹レンズ４３０ｂとを接合した接合レンズ４３０を用いるようにしてもよい。
【００６９】
両凸レンズ４３０ａおよび両凹レンズ４３０ｂは、光学ガラス材料を用いて形成されている。なお、色収差をキャンセルするためには、両凹レンズ４３０ｂを分散の高いアッベ数が４０以下の光学ガラス材料で形成することが好ましい。あるいは、両凸レンズ４３０ａを超低分散光学ガラスまたは異常分散光学ガラス材料で形成することが好ましい。
【００７０】
なお、図４の例では、１枚の両凸レンズ４３２と、１つの接合レンズ４３０とで構成された複合レンズの場合を示しているが、実施例のリレー光学系４００’のように２枚以上の集束レンズを含む構成において、１つの発散レンズを接合レンズにより構成してもよい。また、２枚以上の接合レンズを含む構成も可能である。
【００７１】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、集光光を射出する光装置１００として、楕円リフレクタを用いた構成を例に示しているが、回転放物面を反射面とするパラボラリフレクタを用いることも可能である。ただし、パラボラリフレクタを用いる場合には、パラボラリフレクタで反射される光は略平行光となるので、略平行光を集光光とするレンズを反射光学系４２０の前に配置する必要がある。
【００７２】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、電気光学装置としてＤＭＤを備えているＳＣＲプロジェクタを例に説明しているが、例えば、１つの液晶パネルを備えるＳＣＲプロジェクタにも本発明を適用することが可能である。すなわち、電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであれば、どのような電気光学装置を用いたＳＣＲプロジェクタにおいても本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るプロジェクタを示す概略平面図である。
【図２】変形例のリレー光学系を示す説明図である。
【図３】別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。
【図４】さらに別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。
【図５】ＳＣＲ技術を用いたプロジェクタの要部を示す概略平面図である。
【図６】ＳＣＲインテグレータ２００を示す説明図である。
【図７】ＳＣＲホイール３００を示す説明図である。
【図８】ＳＣＲホイール３００で反射された光について示す説明図である。
【図９】ＳＣＲホイールを通過した光の像を模式的に示す説明図である。
【図１０】ＳＣＲプロジェクタ１０００における問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
１０００…プロジェクタ
１０００Ａ…プロジェクタ
１０００ａｘ…システム光軸（中心軸）
１００…光源装置
１１０…楕円リフレクタ
１２０…光源ランプ
２００…ＳＣＲインテグレータ（ＳＣＲ用のインテグレータロッド）
２０２…光入射面
２０４…光射出面
２０６…反射ミラー
２０６ａ…開口部
３００…ＳＣＲホイール（ＳＣＲ用のカラーホイール）
３１０…フィルタ面
３１０Ｒ…Ｒ光透過フィルタ
３１０Ｇ…Ｇ光透過フィルタ
３１０Ｂ…Ｂ光透過フィルタ
４００…リレー光学系
５００…反射ミラー
６００…フィールドレンズ
７００…ＤＭＤ
８００…投写レンズ（投写光学系）
４００’…リレー光学系
４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ…リレー光学系
４１２，４１４，４１８…（両）凸レンズ
４１６…（両）凹レンズ
４００Ｄ…リレー光学系
４００Ｅ…リレー光学系
４２２…（両）凸レンズ
４２４…（両）凹レンズ
４００Ｆ，４００Ｇ…リレー光学系
４３０…接合レンズ
４３０ａ…（両）凸レンズ
４３０ｂ…（両）凹レンズ
４３２…（両）凸レンズ
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像を投写表示するプロジェクタ（投写型表示装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プロジェクタでは、光源装置から射出された光を照明光として、電気光学装置の照明領域（光照射面）が照明される。そして、電気光学装置の光照射面に入射した光が、画像情報（画像信号）に応じて変調され、電気光学装置から画像を表す画像光が射出される。電気光学装置から射出された画像光を、投写光学系を介してスクリーン上に投写することにより画像が表示される。電気光学装置としては、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ、ＴＩ社の商標）のようなマイクロミラー型光変調装置や液晶パネルが多く利用されている。なお、ＤＭＤは、液晶パネルに比べて光照射面に照射された光の利用効率が高い電気光学装置である。
【０００３】
１つの電気光学装置を利用するプロジェクタ（「単板式プロジェクタ」とも呼ばれる。）では、例えば、次のようにしてカラー表示を実現することができる。すなわち、照明光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する３つの色フィルタを有するカラーホイールに入射させて、照明光に含まれるＲＧＢ３原色の光を順に循環的に透過して射出させる。電気光学装置の光照射面には、カラーホイールから射出された３原色の光が順に照射される。電気光学装置では、順に照射される光を、その光の色に対応する色信号によって変調することにより、それぞれの色信号に対応する画像光を生成する。生成された各色の画像光の表す画像（以下、「色成分画像」とも呼ぶ。）を順に投写する。順に投写された３つの色成分画像は、人間の目の残像効果によって合成されて１つのカラー画像として見えることになる。
【０００４】
このように、ＲＧＢ３原色の光に対応する色成分画像を順に表示させてカラー画像を表示（「時分割表示」あるいは「フィールドシーケンシャル表示」とも呼ぶ。）させる場合、カラーホイールを透過しない色の光が無駄となる。例えば、Ｒ光が透過されるときにはＧ光及びＢ光が、Ｇ光が透過されるときにはＢ光及びＲ光が、Ｂ光が透過されるときにはＲ光及びＧ光が無駄になる。このため、光源装置から射出された光が照明光として十分に利用されず利用効率の点で問題がある。
【０００５】
このような問題を解決して光の利用効率を向上させる方法が、ＳＯＣＩＥＴＹ ＦＯＲ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＩＳＰＬＡＹ ２００１ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ ＤＩＧＥＳＴ ＯＦ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＰＡＰＥＲＳ・Ｖｏｌｕｍｅ ＸＸＸＩＩ（ ｐａｇｅ １０７６）に記載されたＳｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ： Ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｓｃｒｏｌｌｉｎｇ Ｃｏｌｏｒ（Ｄ． Ｓｃｏｔｔ Ｄｅｗａｌｄ， Ｓｔｅｖｅｎ Ｍ． Ｐｅｎｎ， ａｎｄ Ｍｉｃｈａｅｌ Ｄａｖｉｓ）で提案されている。
【０００６】
図５は、上記文献において説明されているＳＣＲ（Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｒｅｃａｐｔｕｒｅ）技術を用いたプロジェクタの要部を示す概略平面図である。このプロジェクタ（以下、「ＳＣＲプロジェクタ」と呼ぶ。）１０００は、光源装置１００と、ＳＣＲ用のインテグレータロッド（以下、「ＳＣＲインテグレータ」と呼ぶ。）２００と、ＳＣＲ用のカラーホイール（以下、「ＳＣＲホイール」と呼ぶ）。３００と、リレー光学系４００と、反射ミラー５００と、フィールドレンズ６００と、ＤＭＤ７００と、投写レンズ（投写光学系）８００とを、システム光軸（中心軸）１０００ａｘに沿って順に配置して構成されている。
【０００７】
光源装置１００から射出された光は、ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２から内部に効率よく入射するように、システム光軸１０００ａｘ上の光入射面２０２上でほぼ集束するような集光光とされる。具体的には、光源装置１１０は、回転楕円面形状の反射面を有する楕円リフレクタ１１０と、メタルハライドランプや高圧水銀灯などの高圧放電灯が利用される光源ランプ１２０とで構成される。光源ランプ１２０は、楕円リフレクタ１２０の第１焦点Ｆ１に配置され、ＳＣＲインテグレータ１３０は、その光入射面２０２が楕円リフレクタ１１０の第２焦点Ｆ２となるように配置される。このような構成とすることにより、光源装置１００は、システム光軸１０００ａｘ上の光入射面２０２上でほぼ集束する集光光を射出することができる。
【０００８】
なお、光源ランプ１２０のアーク像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＡとし、ＳＣＲインテグレータ１３０の光入射面上に結像される像（以下、「２次光源像」と呼ぶ）の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＳＰとし、楕円リフレクタ１１０の第１，第２焦点距離をｆ１，ｆ２とすると、２次光源像の大きさＤＳＰは、以下の式で表される。
【０００９】
ＤＳＰ＝ＤＡ・ｆ２／ｆ１ …（１）
【００１０】
上記（１）式からわかるように、第１焦点距離ｆ１または第２焦点距離ｆ２の異なる楕円リフレクタを適宜利用することにより、２次光源像の大きさを調整することが可能である。
【００１１】
ＳＣＲインテグレータ２００の光入射面２０２から内部に入射した光は、内部で反射しながら光射出面２０４から射出する。ＳＣＲインテグレータは、内部で反射を繰り返すことにより、光入射面２０２から入射した光の照度分布が一様でない場合においても、照度分布が一様な光に変換して光射出面から射出する機能を有している。
【００１２】
図６は、ＳＣＲインテグレータ２００を示す説明図である。図６（Ｂ）はＳＣＲインテグレータ２００の平面図を示し、図６（Ａ）は光入射面２０２側の側面図を示し、図６（Ｃ）は光射出面２０４側の側面図を示している。ＳＣＲインテグレータ２００は、光入射面２０２及び光射出面２０４が矩形状の輪郭を有する四角柱状の透光性ロッドである。光射出面２０４の輪郭形状は、通常、ＤＭＤ７００の光照射面（照明領域）に照射される光の照明効率を考慮して、この光照射面に相似な形状とされる。例えば、ＤＭＤ７００の光照射面のアスペクト比（縦横比）は、約４：３あるいは約１６：９であるので、光射出面２０４の輪郭形状も同様に約４：３あるいは約１６：９となるように構成されている。
【００１３】
光入射面２０２の表面上には、光入射面２０２と接する側を反射面とする反射ミラー２０６が形成されている。この反射ミラー２０６には、システム光軸１０００ａｘに一致するように配置されるＳＣＲインテグレータ２００の中心軸２００ａｘを中心とする円系の開口部２０６ａが形成されている。開口部２０６ａを通過する光のみが光入射面２０２からＳＣＲインテグレータ２００の内部に入射可能である。従って、上記（１）式で表される２次光源像の大きさＤＳＰは、開口部２０６ａを効率良く通過して光入射面２０２からＳＣＲインテグレータ２００に入射するように、開口部２０６ａの大きさよりも小さくなるように調整されることが好ましい。なお、反射ミラー２０６における光の反射機能については、後でさらに説明する。
【００１４】
開口部２０６ａの大きさは、光源装置１００からＳＣＲインテグレータ２００内に入射させる光の入射効率と、後述する反射ミラー２０６における光の反射効率とを考慮して適宜設定される。通常、開口部２０６ａの開口径は、反射ミラー２０６の長手方向の長さに対して１／３程度の長さに設定される。
【００１５】
反射ミラー２０６は、開口部２０６ａに対応する部分を除く光射出面２０２上にアルミニウム膜、銀膜等を形成することにより形成される。また、誘電体多層膜（コールドミラー等）を蒸着することによっても形成可能である。また、ＥＳＲフィルム（３Ｍ社製）を貼り付けることによっても形成可能である。なお、平板状の透明体（例えばガラス板）にアルミニウム膜、銀膜、誘電体多層膜、ＥＳＲフィルム等を選択的に形成したものを、光射出面２０２に近接配置したり、貼り合わせたりすることも可能である。
【００１６】
図５のＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出された光は、ＳＣＲホイール３００に入射する。
【００１７】
図７は、ＳＣＲホイール３００を示す説明図である。ＳＣＲホイール３００は、回転軸３２０を中心に図示しないモータによって回転可能に構成された円板状のフィルタ面３１０を有している。フィルタ面３１０には、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの色フィルタの境界線（図中実線で示す曲線）が、フィルタ面３１０上における回転軸３２０上の中心点を中心にアルキメデスのスパイラルを形成するように配列形成されている。Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの色フィルタは、それぞれ対応する色光を透過し、他の色光を反射するフィルタである。これらの色フィルタは、それぞれ対応するダイクロイック膜をフィルタ面３１０上にコーティングすることにより形成される。
【００１８】
ＳＣＲホイール３００は、フィルタ面３１０がＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４に平行に近接配置される。
【００１９】
ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光は、図７に破線で示したように、ある時間タイミングにおいて複数の色フィルタに入射し、それぞれ対応する色光のみを透過し、他の色光を反射する。
【００２０】
図８は、ＳＣＲホイール３００で反射された光について示す説明図である。例えば、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出されてＳＣＲホイール３００のフィルタ面３１０上に形成されたＲ光透過フィルタ３１０Ｒに入射した光のうち、Ｒ光は透過され、Ｇ光およびＢ光は反射されて光射出面２０４からＳＣＲインテグレータ２００の内部に再び入射する。
【００２１】
この反射されたＧ光およびＢ光（以下、「ＧＢ光」と呼ぶ。）は、ＳＣＲインテグレータ２００の内部で反射を繰り返しながら光入射面２０２の方向へ進む。光入射面２０２上には、反射ミラー２０６が形成されているので、光入射面２０２に到達したＧＢ光は、反射ミラー２０６の開口部２０６ａを通過する一部のＧＢ光を除いて反射ミラー２０６で反射される。
【００２２】
反射ミラー２０６で反射されたＧＢ光はＳＣＲインテグレータ２００の内部を反射しながら光射出面２０４の方向へ進み、光射出面２０４から射出されて、再度ＳＣＲホイール３００に入射する。再度ＳＣＲホイール３００に入射したＧＢ光が、透過可能な色フィルタ、例えば、Ｇ光ならばＧ光透過フィルタ３１０Ｇ、Ｂ光ならばＢ光透過フィルタ３１０Ｂに入射した場合には、ＳＣＲホイール３００を通過して照明光として利用可能となる、一方、再度ＳＣＲホイール３００に入射したＧＢ光が、透過不可のフィルタ、すなわち、Ｒ光透過フィルタ３１０Ｒに入射した場合には、再び反射されて、透過可能なフィルタに入射して有効な光として利用されるまでＳＣＲインテグレータ２００内を繰り返し往復することになる。
【００２３】
なお、上述の説明は最初にＲ光フィルタ３１０Ｒに入射する光の場合を例に説明しているが、他のＧ光透過フィルタ３１０ＧあるいはＢ光透過フィルタ３１０Ｂに最初に入射する光においても同様である。
【００２４】
この結果、ＳＣＲホイール３００で反射されて有効に利用されなかった光を再利用することが可能となる。従って、フィールドシーケンシャル表示においてカラーホイールによって発生していた光の無駄を抑制して、光源装置１００から射出された光を効率良く利用することが可能である。なお、このように光を再利用する技術を、「ＳＣＲ技術」と呼んでいる。
【００２５】
リレー光学系４００は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で所定の結像倍率で結像する機能を有しており、少なくとも１つの集束レンズにより構成することができる。なお、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像された像が照明領域に相当する。なお、ＳＣＲホイール３００のフィルタ面３１０はＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４に近接配置されているので、リレー光学系４００は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で所定の結像倍率で結像すると考えてもよい。なお、結像される像の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）ＤＡは、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）をＤＩとし、結像倍率をｋｓとすると、以下の式で表される。
【００２６】
ＤＡ＝ＤＩ・ｋｓ …（２）
【００２７】
なお、所定の結像倍率ｋｓは、ＤＭＤ７００の光照射面を効率よく照明するように、結像される像（照明領域）の大きさ（横方向または縦方向の大きさ）ＤＡが光照射面の大きさにほぼ等しくなるように設定される。通常、結像倍率ｋｓは、約１．５倍〜約２．５倍の範囲で設定される。
【００２８】
反射ミラー５００は、リレー光学系４００から射出された光がフィールドレンズ６００を介してＤＭＤ７００に入射するように反射する。なお、反射ミラー５００は、必ずしも必要な構成要素ではなく、省略することも可能である。
【００２９】
ＤＭＤ７００は、光照射面に照射された光を画像信号（画像情報）に応じて各画素に対応するマイクロミラーで反射することにより、画像を表す画像光を投写レンズ８００の方向に射出する機能を有する反射方向制御型光変調装置である。ＤＭＤ７００から射出される画像光は、フィールドレンズ６００及び投写レンズ８００を介して投写される。これにより、画像光の表す画像が投写表示される。
【００３０】
なお、反射ミラー５００からＤＭＤ７００までのシステム光軸１０００ａｘは、ＤＭＤ７００の上述の反射方向を制御する機能上の制約のため、ＤＭＤ７００から投写レンズ８００までのシステム光軸１０００ａｘ（ＤＭＤ２００の光照射面の法線に平行な軸である。）に対して所定の傾きを有するように構成されている。ここで、ＤＭＤ７００の「光照射面」は、照射された光を画像光として利用可能な領域、すなわち、後述するマイクロミラーが形成されている領域を示す。なお、「所定の傾き」については、ここでは、特に問題ではないため説明を省略する。
【００３１】
ところで、図９は、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像を模式的に示す説明図である。ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４から射出される光は、図７に破線で示したように、あるタイミングにおいて複数の色フィルタに入射する。従って、ＳＣＲホイール３００を通過した光は、図９に示すように、Ｒ，Ｇ，Ｂの複数の色光の領域に区分される。また、ＳＣＲホイール３００の回転に応じて、各色フィルタの境界は放射方向に移動するので、これに応じて、ＳＣＲホイール３００を通過した光のＲ，Ｇ，Ｂの複数の色光に区分されている領域のパターンは、例えば、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、例えば、表示タイミングＴ＝０における状態から、表示タイミングＴ＝１における状態へと変化する。なお、表示タイミングとは、表示画像のデータを更新する単位時間を示している。
【００３２】
従って、ある表示タイミングにおいて、ＤＭＤ７００の各画素には、その画素に照射されている光の色に応じた色成分画像に相当する画像信号を供給する必要がある。照明される光の色のパターンは、例えば、ＳＣＲホイールの回転に応じて変化する、ＳＣＲホイール３００上に設けられた図示しない基準点の位置に応じて一義的に決定することが可能である。画像処理回路では、この基準点の位置を観測することにより対応する光の色のパターン情報を求めて、このパターン情報に応じた画像信号を生成して、ＤＭＤ７００に供給している。
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
図１０は、上記ＳＣＲプロジェクタ１０００における問題点を示す説明図である。図１０は、ある表示タイミングにおいて、ＤＭＤ７００の各画素に供給される画像信号を対応する色ごとに区分した状態を示している。図中に示す破線は、各画素を照明する光の複数の色光に区分された領域の境界線（以下、「色光境界線」と呼ぶ。）のうち、Ｒ光領域とＢ光領域との色光境界線を示している。図１０（Ａ）に示すように、Ｒ光領域とＢ光領域の色光境界線は、実線で示されたＲの画像領域とＢの画像領域の境界線に一致することが好ましい。図１０（Ｂ）に示すように、色光境界線の位置がずれて照明されたり、図１０（Ｃ）に示すように、色光境界線がぼやけて照明されたり、図１０（Ｄ）に示すように、色光境界線が歪んで照明されたりすると、供給されている画像信号の色と照射される光の色とが異なる画素が発生し、表示画像の画質の劣化を招くことになる。
【００３４】
従って、ＳＣＲ技術を用いたプロジェクタにおいては、ＳＣＲホイールを通過した光の像を電気光学装置の光照射面上で結像させることにより電気光学装置の光照射面を照明する際に、ＳＣＲホイールを通過した光に含まれる複数の色光の区分領域の境界線を、電気光学装置の光照射面上で高精度に結像させることが望まれている。
【００３５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、ＳＣＲを適用したプロジェクタにおいて、照明領域としての光の像を高精度に結像させて、表示画像の品質を高めることが可能な技術を提供することを目的とする。
【００３６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明のプロジェクタは、
中心軸上の所定の位置で集束する集光光を射出する光源装置と、
前記所定の位置近傍に光入射面を有し、前記光源装置から射出された光を均一化するためのインテグレータロッドと、
前記インテグレータロッドの光射出面に近接して配置されたカラーホイールと、
前記インテグレータロッドの光射出面における光の像を所定の照明領域上で結像するためのリレー光学系と、
画像を表す画像信号を出力する画像処理回路と、
前記所定の照明領域を有し、前記リレー光学系から射出されて該所定の照明領域を照明する光から、前記画像処理回路が出力する画像信号に応じて前記画像を表す画像光を生成する電気光学装置と、
前記電気光学装置から射出された画像光の表す画像を投写する投写光学系と、を備え、
前記インテグレータロッドの光入射面には、前記中心軸を中心とする開口部と、前記開口部の外周側に位置し、該インテググレータロッド内を前記光射出面側から前記光入射面側に進む光を反射する反射面とを有する反射ミラーが形成されており、
前記カラーホイールは、所望の色光を透過し他の色光を反射する反射型色フィルタが、前記インテグレータロッドから射出された光を複数の色光に区分して透過するようにスパイラル状に複数形成され、該カラーホイールが前記中心軸に平行な回転軸を中心に回転することにより、前記カラーホイールを透過する光に含まれる複数の色光の区分領域が循環的に変化するように構成されており、
前記画像処理回路は、前記カラーホイールに設けられた基準点の位置を観測し、前記基準点の位置に応じて前記電気光学装置を照明する色光のパターンを決定し、前記色光のパターンに対応する画像信号を生成して前記電気光学装置に出力し、
前記リレー光学系は、前記画像処理回路から前記電気光学装置に入力される前記画像信号によって表される前記色光のパターンの境界線と、前記リレー光学系から射出され前記所定の領域上で結像する前記複数の色光の区分領域の境界線とが一致するように、前記所定の照明領域として結像する光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を補正するための第１の光学要素と、少なくとも色収差を補正するための第２の光学要素とを含んでいることを特徴とする。
【００３７】
本発明のプロジェクタでは、リレー光学系によって、所定の照明領域として結像する光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差と色収差とを補正することができるので、カラーホイールを通過した光に含まれる複数の色光の区分領域の境界線を、歪曲収差や色収差の発生を抑制して、画像処理回路から電気光学装置に入力される画像信号によって表される前記色光のパターンの境界線と一致するように高精度に結像させることが可能となる。これにより、照明領域としての光の像を高精度に結像させて、投写される画像の表示品質を高めることができる。
【００３８】
ここで、前記第１の光学要素は、非球面状の凸面を有する少なくとも１つの集束レンズを含み、
前記第２光学要素は、球面状の凹面を有する少なくとも１つの発散レンズを含むことが好ましい。
【００３９】
この構成によれば、第１の光学要素および第２の光学要素を容易に構成することができる。
【００４０】
なお、前記発散レンズは、４０以下のアッベ数を有する比較的分散の高い光学ガラス材料で形成されていることが好ましい。
【００４１】
この構成によれば、色収差を補正するための発散レンズをより高精度に実現可能である。
【００４２】
また、前記発散レンズは、球面状の凸面を有する凸レンズと球面状の凹面を有する凹レンズとが接合された接合レンズであることも好ましい。
【００４３】
この構成によっても、容易に第２の光学要素を実現することができる。
【００４４】
ここで、前記接合レンズの前記凹レンズが４０以下のアッベ数を有する比較的分散の高い光学ガラス材料で形成されており、または、前記接合レンズの前記凸レンズが超低分散光学ガラス材料と異常分散光学ガラス材料のいずれかで形成されていることが好ましい。
【００４５】
この構成によれば、色収差を補正するための発散レンズをより高精度に実現可能となる。
【００４６】
なお、前記集束レンズは、アクリル系樹脂材料またはオレフィン系樹脂材料で形成されていることが好ましい。
【００４７】
この構成によれば、歪曲収差を補正するための第１の光学要素を容易、かつ、高精度に構成することが可能となる。
【００４８】
上記各構成のプロジェクタにおいて、
前記光源装置からリレー光学系までの光路中に、約７００ｎｍ〜約２０００ｎｍの赤外光を反射する赤外線反射フィルタを備えることが好ましい。
【００４９】
この構成によれば、約７００ｎｍ〜約２０００ｎｍの赤外光によってリレー光学系に発生する特性の劣化を防止することが可能である。
【００５０】
【発明の実施の形態】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の実施例に係るプロジェクタを示す概略平面図である。プロジェクタ１０００Ａは、従来例で説明したプロジェクタ１０００のリレー光学系４００をリレー光学系４００Ａに置き換えた点を除いて同じ構成を有している。なお、反射ミラー５００を除く各構成要素１００，２００，３００，４００’，６００，７００，８００は、ＳＣＲプロジェクタに最低限必要な構成要素を示しており、各構成要素間に反射ミラーやレンズ等の種々の光学要素を適宜配置することが可能である。各構成要素の機能は従来例と全く同じであるので、以下では、リレー光学系４００’について説明する。
【００５１】
リレー光学系４００’は、３枚の両凸レンズ（以下、単に「凸レンズ」とも呼ぶ。）４１２，４１４，４１８と、１枚の両凹レンズ（以下、単に「凹レンズ」とも呼ぶ。）４１６とで構成された複合レンズであるが、等価的には１枚の両凸レンズとして機能する。従って、リレー光学系４００’は、従来例のリレー光学系４００（図５参照）と同様に、ＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４における光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で結像する機能、実質的には、ＳＣＲホイール３００を通過した光の像をＤＭＤ７００の光照射面上で結像する機能を有している。
【００５２】
リレー光学系４００’を構成する各レンズのレンズ面には、ＤＭＤ７００の光照射面上を照明する照明効率（「光の利用効率」とも呼ぶ。）を向上させるために、可視光域の光の反射を防止する反射防止膜をコーティングすることが好ましい。
【００５３】
３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８の凸面は、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像される光の像に発生し得る種々の収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている。ただし、必ずしもレンズの凸面全体を、歪曲収差が抑制されるように形成する必要はなく、少なくともＳＣＲホイール３００から射出された光が入射する範囲を、歪曲収差が抑制されるように形成するようにすればよい。
【００５４】
なお、凸レンズを形成する材料としては、透明度が高く光の透過率が高いアクリル系樹脂やオレフィン系樹脂材料等のプラスチック（樹脂）材料を用いることが好ましい。ただし、光学ガラス材料を用いて形成することも可能であるが、製造の容易性、製造コスト等を考慮すれば、プラスチック材料を用いることが好ましい。
【００５５】
凹レンズ４１６は、球面形状の凹面を有するレンズある。ここで、一般に、凹レンズによって発生し得る色収差は、凸レンズによって発生する色収差とは反対の特性を示す。そこで、凹レンズ４１６は、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８によって発生し得る色収差をキャンセルするような分散を有する光学ガラス材料を用いて形成されている。なお、光学ガラス材料としては、アッベ数が４０以下のものを用いることが好ましい。ただし、必ずしも光学ガラス材料に限定されるものではなく、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８によって発生し得る色収差をキャンセル可能な光学材料であればよい。
【００５６】
以上、説明したように、リレー光学系４００’は、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像するＳＣＲインテグレータ２００の光射出面２０４における光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差および色収差を抑制することが可能である。従って、このリレー光学系４００’を用いたＳＣＲプロジェクタ１０００Ａは、ＳＣＲホイール３００を通過した光に含まれる複数の色光の区分領域の境界線を、少なくとも歪曲収差や色収差の発生を抑制して、ＤＭＤ７００の光照射面上で高精度に結像させることが可能であり、表示画像の品質を高めることができる。
【００５７】
なお、上記リレー光学系４００’では、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８の全ての凸面形状を、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像される光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されているが、３枚の凸レンズ４１２，４１４，４１８のうち少なくとも１枚の凸レンズの凸面形状が、ＤＭＤ７００の光照射面上で結像される光の像に発生し得る種々の収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されているようにしてもよい。
【００５８】
ところで、光源装置１００からリレー光学系４００’までの間の光路上のいずれかの位置には、以下の理由から赤外光を反射する赤外線反射フィルタを設けて、例えば、約７００ｎｍ〜約２０００の赤外光を反射するようにすることが好ましい。
【００５９】
例えば、リレー光学系４００’を構成する凸レンズを形成する材料としてアクリル系樹脂を用いた場合、アクリル系樹脂には、１２００ｎｍ、１４００ｎｍ、１７００ｎｍ付近に光の吸収帯域があるため、これらの帯域の光を吸収して発熱することによる劣化を招く場合がある。従って、上記のように赤外線反射フィルタを設ければ、リレー光学系を構成する凸レンズを、少なくともアクリル系樹脂を用いて形成した場合に、発熱による劣化を防止することができる。
【００６０】
Ｂ．変形例：
なお、本発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｂ１．変形例１：
上記実施例のリレー光学系４００’は、３枚の両凸レンズ４１２，４１４，４１８と、両凸レンズ４１４，４１８の間に配置された１枚の両凹レンズ４１６とで構成される複合レンズを例に説明しているが、これに限定されるものではない。
【００６１】
図２は、変形例のリレー光学系を示す説明図である。図２（Ａ）のリレー光学系４００Ａに示すよう、両凹レンズ４１６を、２つの両凸レンズ４１２，４１４の間に配置するようにしてもよい。また、図２（Ｂ）のリレー光学系４００Ｂに示すように、両凹レンズ４１６を、ＳＣＲホイール３００側の最前面位置、あるいは、図２（Ｃ）のリレー光学系４００Ｃに示すように反射ミラー５００側の最後面に配置するようにしてもよい。
【００６２】
図３は、別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。図３（Ａ），（Ｂ）のリレー光学系４００Ｄ，４００Ｅに示すように、１枚の両凸レンズ４２２と、１枚の両凹レンズ４２４の２枚の単レンズにより構成することも可能である。なお、図３（Ａ）のリレー光学系４００Ｄと図３（Ｂ）のリレー光学系４００Ｅとは、両凸レンズ４２２と両凹レンズ４２４との前後関係が反対の場合を示している。
【００６３】
両凸レンズ４２２は、上記実施例のリレー光学系４００’の両凸レンズ４１２，４１４，４１８と同様に、ＤＭＤの光照射面上で結像される光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている。また、両凹レンズ４２４は、上記実施例のリレー光学系４００’の両凹レンズ４２４と同様に、両凸レンズ４２２により発生する色収差をキャンセルするように形成されている。
【００６４】
なお、上記実施例および変形例では、リレー光学系を構成する複合レンズに、１枚の両凹レンズを含む場合を例に示しているが、必ずしも１枚である必要はなく、複数の両凹レンズを含むようにしてもよい。
【００６５】
また、上記実施例および変形例では、両凸レンズを用いたリレー光学系を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、平凸レンズ、凸平レンズ、凸凹レンズ、凹凸レンズによる種々の集束レンズ（正レンズ、単に「凸レンズ」とも呼ぶ。）を利用することが可能である。また、上記実施例および上記変形例では、両凹レンズを用いたリレー光学系を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、凸凹レンズ、平凹レンズ、凹平レンズ、凹凸レンズによる種々の発散レンズ（負レンズ、単位「凹レンズ」とも呼ぶ。）を利用することが可能である。
【００６６】
すなわち、リレー光学系を構成する複合レンズは、ＤＭＤの光照射面上で結像される光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている少なくとも１つの集束レンズと、色収差を抑制するように形成されている少なくとも１つの発散レンズとを含むように形成されていればよい。
【００６７】
図４は、さらに別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。
図４（Ａ），（Ｂ）のリレー光学系４００Ｆ，４００Ｇに示すように、１つの接合レンズ４３０と、１枚の両凸レンズ４３２とにより構成することも可能である。
【００６８】
両凸レンズ４３２は、上記実施例のリレー光学系４００’の両凸レンズ４１２，４１４，４１８と同様に、ＤＭＤの光照射面上で結像される光の像に発生し得る種々の収差のうち、少なくとも歪曲収差を良好に抑制するように形成されている。両凸レンズ４３２による色収差を抑制するための発散レンズとしては、単レンズではなく、球面形状の凸面を有する両凸レンズ４３０ａと、球面形状の凹面を有する両凹レンズ４３０ｂとを接合した接合レンズ４３０を用いるようにしてもよい。
【００６９】
両凸レンズ４３０ａおよび両凹レンズ４３０ｂは、光学ガラス材料を用いて形成されている。なお、色収差をキャンセルするためには、両凹レンズ４３０ｂを分散の高いアッベ数が４０以下の光学ガラス材料で形成することが好ましい。あるいは、両凸レンズ４３０ａを超低分散光学ガラスまたは異常分散光学ガラス材料で形成することが好ましい。
【００７０】
なお、図４の例では、１枚の両凸レンズ４３２と、１つの接合レンズ４３０とで構成された複合レンズの場合を示しているが、実施例のリレー光学系４００’のように２枚以上の集束レンズを含む構成において、１つの発散レンズを接合レンズにより構成してもよい。また、２枚以上の接合レンズを含む構成も可能である。
【００７１】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、集光光を射出する光装置１００として、楕円リフレクタを用いた構成を例に示しているが、回転放物面を反射面とするパラボラリフレクタを用いることも可能である。ただし、パラボラリフレクタを用いる場合には、パラボラリフレクタで反射される光は略平行光となるので、略平行光を集光光とするレンズを反射光学系４２０の前に配置する必要がある。
【００７２】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、電気光学装置としてＤＭＤを備えているＳＣＲプロジェクタを例に説明しているが、例えば、１つの液晶パネルを備えるＳＣＲプロジェクタにも本発明を適用することが可能である。すなわち、電気光学装置としては、一般に、入射光を画像情報に応じて変調するものであれば、どのような電気光学装置を用いたＳＣＲプロジェクタにおいても本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るプロジェクタを示す概略平面図である。
【図２】変形例のリレー光学系を示す説明図である。
【図３】別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。
【図４】さらに別の変形例のリレー光学系を示す説明図である。
【図５】ＳＣＲ技術を用いたプロジェクタの要部を示す概略平面図である。
【図６】ＳＣＲインテグレータ２００を示す説明図である。
【図７】ＳＣＲホイール３００を示す説明図である。
【図８】ＳＣＲホイール３００で反射された光について示す説明図である。
【図９】ＳＣＲホイールを通過した光の像を模式的に示す説明図である。
【図１０】ＳＣＲプロジェクタ１０００における問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
１０００…プロジェクタ
１０００Ａ…プロジェクタ
１０００ａｘ…システム光軸（中心軸）
１００…光源装置
１１０…楕円リフレクタ
１２０…光源ランプ
２００…ＳＣＲインテグレータ（ＳＣＲ用のインテグレータロッド）
２０２…光入射面
２０４…光射出面
２０６…反射ミラー
２０６ａ…開口部
３００…ＳＣＲホイール（ＳＣＲ用のカラーホイール）
３１０…フィルタ面
３１０Ｒ…Ｒ光透過フィルタ
３１０Ｇ…Ｇ光透過フィルタ
３１０Ｂ…Ｂ光透過フィルタ
４００…リレー光学系
５００…反射ミラー
６００…フィールドレンズ
７００…ＤＭＤ
８００…投写レンズ（投写光学系）
４００’…リレー光学系
４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ…リレー光学系
４１２，４１４，４１８…（両）凸レンズ
４１６…（両）凹レンズ
４００Ｄ…リレー光学系
４００Ｅ…リレー光学系
４２２…（両）凸レンズ
４２４…（両）凹レンズ
４００Ｆ，４００Ｇ…リレー光学系
４３０…接合レンズ
４３０ａ…（両）凸レンズ
４３０ｂ…（両）凹レンズ
４３２…（両）凸レンズ
Claims (7)
- 画像を投写するプロジェクタであって、
中心軸上の所定の位置で集束する集光光を射出する光源装置と、
前記所定の位置近傍に光入射面を有し、前記光源装置から射出された光を均一化するためのインテグレータロッドと、
前記インテグレータロッドの光射出面に近接して配置されたカラーホイールと、
前記インテグレータロッドの光射出面における光の像を所定の照明領域上で結像するためのリレー光学系と、
画像を表す画像信号を出力する画像処理回路と、
前記所定の照明領域を有し、前記リレー光学系から射出されて該所定の照明領域を照明する光から、前記画像処理回路が出力する画像信号に応じて前記画像を表す画像光を生成する電気光学装置と、
前記電気光学装置から射出された画像光の表す画像を投写する投写光学系と、を備え、
前記インテグレータロッドの光入射面には、前記中心軸を中心とする開口部と、前記開口部の外周側に位置し、該インテググレータロッド内を前記光射出面側から前記光入射面側に進む光を反射する反射面とを有する反射ミラーが形成されており、
前記カラーホイールは、所望の色光を透過し他の色光を反射する反射型色フィルタが、前記インテグレータロッドから射出された光を複数の色光に区分して透過するようにスパイラル状に複数形成され、該カラーホイールが前記中心軸に平行な回転軸を中心に回転することにより、前記カラーホイールを透過する光に含まれる複数の色光の区分領域が循環的に変化するように構成されており、
前記画像処理回路は、前記カラーホイールに設けられた基準点の位置を観測し、前記基準点の位置に応じて前記電気光学装置を照明する色光のパターンを決定し、前記色光のパターンに対応する画像信号を生成して前記電気光学装置に出力し、
前記リレー光学系は、前記画像処理回路から前記電気光学装置に入力される前記画像信号によって表される前記色光のパターンの境界線と、前記リレー光学系から射出され前記所定の領域上で結像する前記複数の色光の区分領域の境界線とが一致するように、前記所定の照明領域として結像する光の像に発生し得る収差のうち、少なくとも歪曲収差を補正するための第１の光学要素と、少なくとも色収差を補正するための第２の光学要素とを含んでいることを特徴とするプロジェクタ。 - 請求項１記載のプロジェクタであって、
前記第１の光学要素は、非球面状の凸面を有する少なくとも１つの集束レンズを含み、
前記第２光学要素は、球面状の凹面を有する少なくとも１つの発散レンズを含む、
プロジェクタ。 - 前記発散レンズは、４０以下のアッベ数を有する比較的分散の高い光学ガラス材料で形成されている請求項２記載のプロジェクタ。
- 請求項２記載のプロジェクタであって、
前記発散レンズは、球面状の凸面を有する凸レンズと球面状の凹面を有する凹レンズとが接合された接合レンズである、
プロジェクタ。 - 前記接合レンズの前記凹レンズが４０以下のアッベ数を有する比較的分散の高い光学ガラス材料で形成されており、または、前記接合レンズの前記凸レンズが超低分散光学ガラス材料と異常分散光学ガラス材料のいずれかで形成されている、請求項４記載のプロジェクタ。
- 前記集束レンズは、アクリル系樹脂材料またはオレフィン系樹脂材料で形成されている請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のプロジェクタ。
- 前記光源装置からリレー光学系までの光路中に、約７００ｎｍ〜約２０００ｎｍの赤外光を反射する赤外線反射フィルタを備える請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のプロジェクタ。
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