JP4036123B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶ライトバルブその他の空間光変調装置を用いて画像を投射するプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプロジェクタでは、ホワイトバランスを調節するため、液晶ライトバルブによる光変調に際して色間で格差を設けることや、ＮＤフィルタを特定色の光路上に配置することが行われていた（例えば、特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３１８９２２号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光変調に際して色間で格差を設けてホワイトバランスを調節する場合、投射される画像のコントラストが悪化する。
【０００４】
また、ＮＤフィルタを光路上に配置してホワイトバランスを調節する場合、熱歪みによる色ムラが顕著になりやすく、ＮＤフィルタ等の精密な温度管理が必要となる。
【０００５】
そこで、本発明は、投射される画像のコントラストを悪化させることなくホワイトバランスを調節することができるプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、色ムラが発生せず、精密な温度管理が不要なプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクタは、光源光を発生する光源装置と、光源装置からの光源光を複数のダイクロイックミラーによって分割して各色の照明光とする光分割光学系と、光分割光学系から射出された各色の照明光によって照明される各色ごとの複数の空間光変調装置と、複数の空間光変調装置からの各色の像光を合成して射出する光合成光学系と、光合成光学系を経て合成された像光を投射する投射光学系と、複数のダイクロイックミラーのうち所定のダイクロイックミラーで分岐された所定色の光束の偏光状態を変更することによって、当該所定色の光束の一部を分岐光路外に導く位相差板とを備える。
【０００８】
上記プロジェクタでは、位相差板が、複数のダイクロイックミラーのうち所定のダイクロイックミラーで分岐された所定色の光束の偏光状態を変更することによって、当該所定色の光束の一部を分岐光路外に導くので、ホワイトバランスを調節する際の余剰光をプロジェクタの光学系内で減衰させることなく光路外に逃がすことができる。この結果、余剰光による熱がプロジェクタの光学系を構成する光学素子を加熱することがなくなり、ＮＤフィルタを用いた場合のような色ムラが発生せず、光学系の温度管理も簡易なものとなる。なお、その他のダイクロイックミラーについては、これで分岐された色の光束の偏光状態を変更しないので、このような光束が光路外に漏れ出して強度が低下することを防止できる。
【０００９】
また、上記プロジェクタの具体的態様では、位相差板が、所定のダイクロイックミラーで分岐された所定色の光束を一部透過させることによって当該所定色の光束を分岐光路外に導くミラーをさらに備える。この場合、ミラーを透過型の減衰フィルタとして活用して余剰光のみを光路外に排除することができる。
【００１０】
また、上記プロジェクタの具体的態様では、光分割光学系が、複数のダイクロイックミラーである前段のダイクロイックミラーと後段のダイクロイックミラーとを光路に沿って並べることによって段階的に各色の分岐を行い、位相差板が、前段及び後段のダイクロイックミラーの間に配置される。この場合、前段のダイクロイックミラーによって第１色の光束を効率的に分岐することができ、後段のダイクロイックミラーによって第２色の光束を減衰させつつ効率的に分岐することができる。
【００１１】
また、上記プロジェクタの具体的態様では、位相差板は、４５°入射タイプのシート状の位相差板であり、前段のダイクロイックミラーの裏面に貼り付けられる。この場合、位相差板の取付けや位置調整が簡単で確実なものとなる。
【００１２】
また、上記プロジェクタの具体的態様では、前段のダイクロイックミラーによって、光源光のうち強度の比較的弱い一色の光を分岐し、後段のダイクロイックミラーによって、光源光のうち強度の比較的強い残りのいずれか一色の光を分岐する。この場合、強度の比較的弱い一色の光の損失を防止しつつ、比較的強い残りのいずれか一色の光を適宜減衰させることができる。
【００１３】
また、上記プロジェクタの具体的態様では、光源装置は、高圧水銀ランプであり、前段のダイクロイックミラーは、強度の弱いＲ光を分岐し、後段のダイクロイックミラーは、強度の強いＢ光及びＧ光のいずれか一方を分岐する。この場合、高圧水銀ランプその他のＲ光の弱い光源であっても、ＲＧＢの各色の照明バランスを良好に保つことができる。
【００１４】
また、本発明に係る別のプロジェクタは、光源光を発生する光源装置と、光源装置からの光源光を複数のダイクロイックミラーによって分割して各色の照明光とする光分割光学系と、光分割光学系から射出された各色の照明光によって照明される各色ごとの複数の空間光変調装置と、複数の空間光変調装置からの各色の像光を合成して射出する光合成部材と、光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系と、複数のダイクロイックミラーで分割された光束のうち所定色の光束の偏光状態を変更することによって当該所定色の光束が光路外に導かれることを防止する位相差板とを備える。なお、上記光分割光学系は、複数のダイクロイックミラーを直交させた状態で内蔵するクロスダイクロイックミラーとすることができる。
【００１５】
上記プロジェクタでは、位相差板が、複数のダイクロイックミラーで分割された光束のうち所定色の光束の偏光状態を変更することによって、当該所定色の光束が光路外に導かれることを防止するので、ホワイトバランスを調節する際に減衰させるべきでない低強度光を光路内に保持することができる。この結果、このような低強度光を有効に活用することができる。なお、その他の色の光束については偏光状態が変更されないので、ホワイトバランスを調節する際の余剰光として光路外に逃がすことができる。この結果、余剰光による熱がプロジェクタの光学系を構成する光学素子を加熱することがなくなり、また、ＮＤフィルタを用いた場合のような色ムラが発生しなくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの構造について図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係るプロジェクタの光学系を説明する図である。このプロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光をＲＧＢの３色に分割する光分割光学系２３と、光分割光学系２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成する光合成光学系２７と、光合成光学系２７で合成された像光をスクリーン（不図示）に投射する投射レンズ２９とを備える。
【００１８】
光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、一対のフライアイ２１ｂ，２１ｃと、偏光変換部材２１ｄと、重畳レンズ２１ｅとを備える。ここで、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光をコリメートするための凹面鏡を備える。また、一対のフライアイ２１ｂ，２１ｃは、マトリックス状に配置された複数の要素レンズによって、光源ランプ２１ａからの光源光を分割して個別に集光・発散させ、光変調部２５に設けられており後に詳述する液晶ライトバルブ上に均一に重畳させる。偏光変換部材２１ｄは、フライアイ２１ｃから射出した光源光を図１の紙面に垂直なＳ偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ２１ｅは、偏光変換部材２１ｄを経た照明光を適宜収束させて、液晶ライトバルブの重畳照明を可能にする。
【００１９】
図２は、光源ランプ２１ａである高圧水銀ランプの分光特性を示すグラフである。このグラフからも明らかなように、高圧水銀ランプが発生する光源光は、Ｇ光やＢ光の強度が相対的に大きくなっているが、Ｒ光の強度が相対的に小さくなっている。このため、ホワイトバランスをとる必要が生じるが、この際ＮＤフィルタを用いると、ＮＤフィルタのガラス基板が加熱されてこれに不均一な温度分布が発生し、ガラス基板に熱歪みが生じて偏光状態が乱れるので、投射画像に異常な着色が生じる可能性がある。このため、本実施形態では、以下に詳述するが、光分割光学系２３内に位相差板すなわち波長板を組み込んでＧ光やＢ光を減衰させている。
【００２０】
図１に戻って、光分割光学系２３は、第１〜第３ダイクロイックミラー２３ａ〜２３ｃと、（λ／２）板２３ｄと、３つのフィールドレンズ２３ｆ〜２３ｈと、反射ミラー２３ｉ，２３ｊとを備える。第１ダイクロイックミラー２３ａは、ＲＧＢの３色のうちＲ光を反射しＧ光及びＢ光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、ＧＢの２色のうちＧ光を反射しＢ光を透過させる。（λ／２）板２３ｄは、４５°入射タイプのシート状の位相差板であり、第１ダイクロイックミラー２３ａの裏面に貼り付けられて、第１ダイクロイックミラー２３ａを透過したＧ光及びＢ光をＳ偏光から例えばＰ偏光に変換する。この光分割光学系２３において、第１ダイクロイックミラー２３ａに入射したＲ光は、Ｓ偏光のまま、反射ミラー２３ｉを経てフィールドレンズ２３ｆに入射する。また、第１ダイクロイックミラー２３ａを通過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、（λ／２）板２３ｄによってＳ偏光からＰ偏光に変換されて、フィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過したＢ光は、Ｐ偏光として、リレーレンズＬＬ１，ＬＬ２、第３ダイクロイックミラー２３ｃ及び反射ミラー２３ｊを経て、フィールドレンズ２３ｈに入射する。
【００２１】
図３は、第２ダイクロイックミラー２３ｂの特性を概念的に説明するグラフである。第２ダイクロイックミラー２３ｂは、Ｇ光を反射しＢ光を透過させるローパスフィルタであるが、入射光がＳ偏光ではなくＰ偏光である場合、Ｇ光が部分的に透過するようになり、Ｇ光がＢ光の光路に直進することになる。この現象を利用すれば、フィールドレンズ２３ｇすなわちＧ光用の液晶ライトバルブに入射させるＧ光の強度を適宜減衰させることができる。一方、第３ダイクロイックミラー２３ｃの場合、ハイパスフィルタとなっており、入射光がＳ偏光ではなくＰ偏光である場合、Ｂ光が部分的に透過するようになっている。これにより、フィールドレンズ２３ｈすなわちＢ光用の液晶ライトバルブに入射させるＢ光の強度を適宜減衰させることができる。なお、第２ダイクロイックミラー２３ｂを部分的に透過して第３ダイクロイックミラー２３ｃに入射したＧ光は、ハイパスフィルタである第３ダイクロイックミラー２３ｃをほぼ完全に透過して光分割光学系２３外部に取り出される。このように第３ダイクロイックミラー２３ｃを透過させることによって取り出されたＧ光やＢ光は、不要光として適当な吸収体に吸収させて迷光を防止する。なお、第３ダイクロイックミラー２３ｃは、通常の金属膜ミラーに置き換えることができ、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過したＰ偏光であるＧ光やＢ光の一部を透過させて外部に導くことができる。
【００２２】
光変調部２５は、３つの液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃと、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ〜５６ｇとを備える。第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＲ光は、フィールドレンズ２３ｆを介して液晶ライトバルブ２５ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを透過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光は、フィールドレンズ２３ｇを介して液晶ライトバルブ２５ｂに入射する。第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂを透過したＢ光は、フィールドレンズ２３ｈを介して液晶ライトバルブ２５ｃに入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調するための空間光変調装置であり、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、これらでそれぞれ画像に応じて変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ〜５６ｇによって、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。
【００２３】
クロスダイクロイックプリズム２７は、光合成光学系であり、Ｒ光反射用の誘電体多層膜２７ａと、Ｂ光反射用の誘電体多層膜２７ｂとを直交させた状態で内蔵するものであり、液晶ライトバルブ２５ａからのＲ光を誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶ライトバルブ２５ｂからのＧ光を誘電体多層膜２７ｂを介して直進・射出させ、液晶ライトバルブ２５ｃからのＢ光を誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。このようにして、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された合成光は、投射レンズ２９に入射する。
【００２４】
以下、図１のプロジェクタの動作について説明する。光源装置２１からの光源光は、光分割光学系２３に設けた第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂによって色分割され、対応する液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃに照明光としてそれぞれ入射する。各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃは、外部からの画像信号によって変調されて２次元的屈折率分布を有しており、照明光を２次元空間的に画素単位で変調する。このように、各液晶ライトバルブ２５ａ〜２５ｃで変調された照明光すなわち像光は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成されて投射レンズ２９に入射する。投射レンズ２９に入射した像光は、不図示のスクリーンに投影される。この場合、光分割光学系２３中に（λ／２）板２３ｄを設けて第２ダイクロイックミラー２３ｂに入射させるＧ光や第３ダイクロイックミラー２３ｃに入射させるＢ光をＰ偏光とし、これらを部分的に光路外に分岐しているので、Ｒ光の強度を維持しつつＧ光やＢ光を適宜減衰させてホワイトバランスを調整することができる。なお、Ｒ光は、Ｓ偏光として第１ダイクロイックミラー２３ａで効率良く反射されるので、ほとんど損失のない状態で液晶ライトバルブ２５ａに入射する。
【００２５】
〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態のプロジェクタを説明する図である。第２実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタを変形したものであり、同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
【００２６】
本実施形態では、第１ダイクロイックミラー２３ａの裏面ではなく、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂの間の光路上に、独立した板状の（λ／２）板１２３ｄを設けている。この場合も、（λ／２）板１２３ｄによって第２ダイクロイックミラー２３ｂに入射させるＧ光や第３ダイクロイックミラー２３ｃに入射させるＢ光をＰ偏光としているので、Ｒ光の強度を維持しつつＧ光やＢ光を適宜減衰させてホワイトバランスを調整することができる。
【００２７】
〔第３実施形態〕
図５は、第３実施形態のプロジェクタを説明する図である。第３実施形態のプロジェクタも、第１実施形態のプロジェクタを変形したものである。
【００２８】
この光分割光学系１２３では、クロスダイクロイックミラー１２３ｘによって光源光をＲＧＢの３色に分割する。クロスダイクロイックミラー１２３ｘは、Ｂ光反射用のダイクロイックミラー１２３ａと一対のＲ光反射用のダイクロイックミラー１２３ｃ，１２３ｄとを直交させたものであり、紙面に垂直なＳ偏光とされた入射光ＬＢのうちＲ光を、ダイクロイックミラー１２３ｃ，１２３ｄで反射させてミラー１２３ｆに入射させることによって紙面に垂直な上方に折り曲げる。また、入射光ＬＢのうちＧ光をダイクロイックミラー１２３ａ，１２３ｃ，１２３ｄの背後に透過直進させてミラー１２３ｇに入射させることによって紙面に垂直な上方に折り曲げる。さらに、入射光ＬＢのうちＢ光をダイクロイックミラー１２３ａで反射させてミラー１２３ｈに入射させることによって紙面に垂直な上方に折り曲げる。このようにして分割された各色の照明光は、適宜光路を折り曲げることによって、図１に示す光変調部２５に入射させることができる。なお、Ｒ光用のダイクロイックミラー１２３ｃ，１２３ｄとミラー１２３ｆとの間の光路上には（λ／２）板２２３ｄを配置している。
【００２９】
この光分割光学系１２３では、クロスダイクロイックミラー１２３ｘにＳ偏光を入射させるが、クロスダイクロイックミラー１２３ｘを経てミラー１２３ｇ，１２３ｈに入射するＧ光及びＢ光は、これらのミラー１２３ｇ，１２３ｈに対してＰ偏光となっている。よって、ミラー１２３ｇ，１２３ｈが薄膜の金属ミラーや誘電体多層膜のミラーである場合、Ｇ光やＢ光を適宜減衰させることができる。一方、クロスダイクロイックミラー１２３ｘから（λ／２）板２２３ｄを経てミラー１２３ｆに入射するＲ光は、偏光方向が切替えられているので、ミラー１２３ｆに対してＳ偏光として入射する。よって、Ｒ光は、ほとんど損失のない状態で液晶ライトバルブ２５ａ（図１参照）に入射する。
【００３０】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、光源として高圧水銀ランプ以外のランプを用いることができ、この場合、そのランプの分光特性を考慮して特定色の強度を低下させることになる。例えばＲ光を減衰させてＢ光及びＧ光をそのまま使用する場合、図１のプロジェクタにおいて、前段に配置される第１ダイクロイックミラー２３ａでＢ光及びＧ光の一方を反射分岐し、後段に配置される第２ダイクロイックミラー２３ｂでＢ光及びＧ光の他方を反射分岐し、最後の第３ダイクロイックミラー２３ｃの前に（λ／２）板２３ｄの代わりの（λ／２）板を配置してＲ光をほぼ反射させる。これにより、Ｂ光及びＧ光の他方をロスなく分岐できるとともに、Ｒ光を減衰させて分岐することができる。
【００３１】
また、例えば第２実施形態では、Ｒ光を第１ダイクロイックミラー２３ａによって反射させて分岐しているが、Ｒ光を第１ダイクロイックミラー２３ａで透過させて分岐することもできる。この場合、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されたＢ光及びＧ光を第２及び第３ダイクロイックミラー２３ｂ，２３ｃに導いてこれらを減衰させつつ分岐することもできる。
【００３２】
また、第１実施形態では、第１ダイクロイックミラー２３ａの裏面に（λ／２）板２３ｄを貼り付けているが、第２ダイクロイックミラー２３ｂの表面に（λ／２）板２３ｄを貼り付けても同様の機能を発揮させることができる。
【００３３】
また、第１及び第２実施形態では、第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されたＧ光と、第３ダイクロイックミラー２３ｃで反射されたＢ光とをＰ偏光のまま光変調部２５に入射させているが、第２及び第３ダイクロイックミラー２３ｂ，２３ｃの反射光の光路上に（λ／２）板を配置して、光変調部２５に入射させる偏光をＳ偏光に統一することもできる。
【００３４】
また、第１実施形態では、第１ダイクロイックミラー２３ａの裏面に（λ／２）板２３ｄを貼り付けているが、第２ダイクロイックミラー２３ｂの裏面に（λ／２）板２３ｄを貼り付けることができる。この場合、Ｂ光のみを減衰させることができる。さらに、第１ダイクロイックミラー２３ａの裏面に（λ／２）板２３ｄを貼り付けつつ、第２ダイクロイックミラー２３ｂの裏面に別の波長差補償用の波長板を貼り付けることも可能である。この場合、波長差補償用の波長板によって、第３ダイクロイックミラー２３ｃに入射する照明光を正確なＰ偏光とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す。
【図２】 光源光の分光特性を示す。
【図３】 ダイクロイックミラーの特性を示す。
【図４】 第２実施形態に係るプロジェクタの光学系を示す。
【図５】 第３実施形態に係るプロジェクタの要部を示す。
【符号の説明】
２１ 光源装置、 ２１ａ 光源ランプ、 ２１ｄ 偏光変換部材、 ２３ 光分割光学系、 ２３ａ 第１ダイクロイックミラー、 ２３ｂ 第２ダイクロイックミラー、 ２３ｃ 第３ダイクロイックミラー、 ２３ｄ（λ／２）板、 ２５ 光変調部、 ２５ａ〜２５ｃ 液晶ライトバルブ、 ２５ｅ〜５６ｇ 偏光フィルタ、 ２７ クロスダイクロイックプリズム、 ２９ 投射レンズ

Claims (4)

1. 光源光を発生する光源装置と、
   前記光源装置からの光源光を複数のダイクロイックミラーによって分割して各色の照明光とする光分割光学系と、
   前記光分割光学系から射出された各色の照明光によって照明される各色ごとの複数の空間光変調装置と、
   前記複数の空間光変調装置からの各色の像光を合成して射出する光合成光学系と、
   前記光合成光学系を経て合成された像光を投射する投射光学系と、
   前記複数のダイクロイックミラーのうち前段のダイクロイックミラーで分岐され前記光源装置からの光源光のうち強度が相対的に大きい所定色の光束の偏光状態をＰ偏光に変更する位相差板とを備え、
   前記位相差板で偏光状態がＰ偏光に変更された前記所定色の光束の一部は、前記前段のダイクロイックミラーより後段に配置される後段のダイクロイックミラーを透過し前記所定色の光路外に取り出されることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記位相差板は、４５°入射タイプのシート状の位相差板であり、前記前段のダイクロイックミラーの裏面に貼り付けられることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
3. 前記前段のダイクロイックミラーによって、光源光のうち強度の比較的弱い一色の光と残りとを分岐し、前記後段のダイクロイックミラーによって、光源光のうち強度の比較的強い残りのいずれか一色の光とその他とを分岐することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載のプロジェクタ。
4. 前記光源装置は、高圧水銀ランプであり、前記前段のダイクロイックミラーは、強度の弱いＲ光と残りとを分岐し、前記後段のダイクロイックミラーは、強度の強いＢ光及びＧ光のいずれか一方と他方とを分岐することを特徴とする請求項３記載のプロジェクタ。

Images