JP5309870B2

JP5309870B2 - 投影装置

Info

Publication number: JP5309870B2
Application number: JP2008265941A
Authority: JP
Inventors: 彰信菅
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: JP2010096880A

Description

本発明は、載置面に画像を投影する投影装置に関するものである。

スクリーン上の水平方向の光量と鉛直方向の光量の比が、赤、緑、青の各色成分でほぼ等しくなるように、各色成分の光の偏光状態を変換する偏光変換手段を備える投射型表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−３０４６０７号公報

ところで、従来の投影装置は、垂直に立てられたスクリーン等に画像を投影するものであるため、投影装置の載置面に対して画像を投影した場合には、載置面に対する投影光の入射角が大きいために、投影像に極度に眩しい領域が発生して投影像が見づらいことがあった。

本発明の目的は、載置面に対して画像を投影した場合に、投影像内に発生する極度に眩しい領域を減少させることのできる投影装置を提供することである。

本発明の投影装置は、画像を投影する投影光を投射する投影ユニットと、前記投影ユニットを収容する筐体とを備え、前記投影ユニットは、前記筐体が載置面上に載置されている状態において、前記投影光を反射する投影面に対してＰ偏光に揃えられた前記投影光を投射し、前記投影ユニットは、前記投影ユニットに収容された投影光学系の最下流の位置に前記投影光の偏光状態を補償する補償板と、前記補償板を回転させる回転機構とを備え、前記投影面に対してＰ偏光に揃えられた前記投影光となるように前記補償板の回転位置が設定され、前記投影面に対してＰ偏光に揃えられた前記投影光により、前記投影光を反射する前記投影面に投影像が形成されることを特徴とする。

本発明の投影装置によれば、Ｐ偏光に揃えられた投影光を投射することにより、投影像内に発生する極度に眩しい領域を減少させ、載置面に対して良好に画像を投影することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る投影装置について説明する。図１は、この実施の形態に係る投影装置としてのプロジェクタ２により画像の投影を行っているときの状態を示す斜視図である。プロジェクタ２は、金属やプラスチックからなる筐体４を備え、筐体４の前面には、筐体４に内蔵された投影ユニット６０（図２参照）の投影窓６が設けられている。また、プロジェクタ２の上面には、電源スイッチ８、各種機能の設定や投影画像のピント調整等を行うための操作部１０が設けられている。なお、筐体4の背面には各種入力端子や冷却風の通気口等が設けられている。

図１に示すように、画像の投影が行われる場合には、プロジェクタ２は、載置面Ｇ上に直立するように載置され、投影窓６から前方へ向かって所定の角度で投影光を投射する。投射された投影光は、載置面Ｇに所定の入射角で入射し、載置面Ｇ上に投影画像Ｐを結像する。なお、プロジェクタ２は、投影画像Ｐの歪みを自動あるいは手動で補正することのできる機能（台形補正機能）を備えていることが望ましい。

図２は、この実施の形態に係るプロジェクタ２内に収容されている投影ユニット６０の配置を示す正面図である。なお、以下の説明においてはＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照して説明する。図２に示すように、ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸が筐体４の幅方向と平行に、Ｙ軸が筐体４の高さ方向と平行に、Ｚ軸が筐体４の前後方向と平行にそれぞれ設定される。画像を投影するための投影光学系等を有する投影ユニット６０は、ユニット筐体６２内の上部に設置されたミラー７６（図３参照）が投影窓６の裏側に位置するように筐体４内に設置されている。

図３は、この実施の形態に係る投影ユニット６０の内部の構成を示す断面図である。なお、図３は、投影ユニット６０が有するユニット筐体６２をプロジェクタ２の前面から見たときの断面図である。図３に示すように、ユニット筐体６２の下部には、投影光を発光する光源としてのＬＥＤ６４、投影光を平行光に変換する集光レンズ群６６、投影光のＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射するＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）６８及び画像表示素子としてのＬＣＯＳ（反射型液晶パネル）７０が設置されている。また、ユニット筐体６２内のＰＢＳ６８の上方には、画像を投影するための投影レンズ群７２、投影光の偏光状態を補償する補償板７４、投影光の進行方向をプロジェクタ２の前面方向へと偏向する平面ミラーであるミラー７６が設置されている。

ＬＥＤ６４から＋Ｘ方向へ発光された投影光は、集光レンズ群６６により平行光に変換された後にＰＢＳ６８に入射する。ＰＢＳ６８内には、入射光のＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する偏光分離膜６８ａが、入射光の進行方向に対して４５°の角度となるように設けられている。従って、ＰＢＳ６８に入射した投影光のＰ偏光成分は、偏光分離膜６８ａを透過した後にＰＢＳ６８から＋Ｘ方向へ射出されてＬＣＯＳ７０に入射する。一方、ＰＢＳ６８に入射した投影光のＳ偏光成分は、偏光分離膜６８ａにおいて反射した後に、黒色処理等の無反射処理が施されたＰＢＳ６８の下面（−Ｙ側の面）に入射して吸収される。

ＬＣＯＳ７０に入射した投影光は、ＬＣＯＳ７０により反射され、ＰＢＳ６８に再度入射する。ここで、ＬＣＯＳ７０を構成する図示しない液晶層は、電圧が印加されると入射光に対して位相板として機能する。従って、ＬＣＯＳ７０から射出する投影光のうち、液晶層により電圧が印加された画素領域を透過した光はＰ偏光からＳ偏光に変換される。一方、ＬＣＯＳ７０から射出する投影光のうち、液晶層により電圧が印加されていない画素領域を透過した光はＰ偏光のまま進行する。

Ｐ偏光とＳ偏光との混合光としてＰＢＳ６８に再度入射した投影光のうち、ＬＣＯＳ７０において電圧が印加された画素領域を透過したＳ偏光のみが偏光分離膜６８ａにおいて反射され、ＰＢＳ６８の上面から＋Ｙ方向へ射出される。このとき、偏光分離膜６８ａに対してＳ偏光であった投影光はＺ軸方向に振動している。そして、Ｚ軸方向に振動する直線偏光として投影レンズ群７２に入射した投影光は、投影レンズ群７２内を通過する際に若干の位相差が生じて楕円偏光に変化する。しかしながら、楕円偏光として投影レンズ群７２から射出した投影光は、投影レンズ群７２の出口側、即ちユニット筐体６２内の投影光学系の最下流の位置に設置された補償板７４を透過することによって当該位相差が解消され、再び元のＺ軸方向に振動する直線偏光へと偏光状態が揃えられる。なお、補償板７４としては、当該位相差を解消するべく最適な角度の遅相軸で設定された１／４波長板を用いている。

補償板７４によってＺ軸方向に振動する直線偏光に揃えられた投影光は、ミラー７６において反射して進行方向が偏向され、プロジェクタ２の筐体４に設けられた投影窓６からプロジェクタ２の前方へ向かって投射される。ここで、ミラー７６は、反射した投影光が載置面Ｇに対して４０°より大きい入射角β（図４参照）で投射されるように、ミラー７６に対して入射する投影光の入射角α（図４参照）が所定の値となるように設置されている。

図４は、この実施の形態に係るプロジェクタ２から投射される投影光の偏光状態を説明する図である。なお、図４は、載置面Ｇに載置されたプロジェクタ２を側面から見たときの図であり、投影ユニット６０内の説明に必要な構成のみが示されている。図４に示すように、ＰＢＳ６８内の偏光分離膜６８ａにおいて反射した後に＋Ｙ方向へ進行する投影光Ｌは、上述のようにＺ軸方向、即ち図４の矢印Ａに示す方向に振動する直線偏光である。上述のように、当該直線偏光は、投影レンズ群７２を透過したことにより位相差が生じて楕円偏光に変化するものの、補償板７４を透過することによって当該位相差が解消されて、元の矢印Ａ方向に振動する直線偏光に変換される。

補償板７４を透過した投影光Ｌは、ミラー７６において反射されて筐体４の前面に設けられた投影窓６から投射される。ここで、上述のように、入射する投影光Ｌの入射角がαとなるように設置されているミラー７６は、図４においては、図４の紙面、即ちＹＺ平面に対して垂直になるように設置されている。従って、ミラー７６において反射した投影光Ｌは、ＹＺ平面に平行な面上を、図４の矢印Ｂに示す方向に振動しながら進行する直線偏光に変換されて載置面Ｇに入射する。ここで、載置面ＧはＺＸ平面に平行な面であるから、投影窓６から投射された投影光Ｌは、載置面Ｇに対してＰ偏光として照射される。なお、このときの載置面Ｇに対する投影光Ｌの入射角βは、ミラー７６が、ミラー７６に対する投影光Ｌの入射角がαとなるように設置されていることにより、４０°より大きい角度となる。例えば、図４に示すように、投影光Ｌが偏光反射膜６８ａにおいて反射した後に＋Ｙ方向へ進行する場合には、β＝２αが成立する。従って、２０°＜α＜４５°となるようにミラー７６を設置すれば、投影光Ｌは、載置面Ｇに対して４０°より大きい角度で入射するようになる。

次に、この実施の形態のプロジェクタにより得られる効果について図５〜図７を用いて説明する。なお、図５は、誘電体に入射する光の入射角に対するＳ偏光及びＰ偏光の反射率を示すグラフであり、図６は、吸収性媒質に入射する光の入射角に対するＳ偏光及びＰ偏光の反射率を示すグラフである。

屈折率ｎ_１の媒質１内を進行した光が、屈折率ｎ_２の誘電体からなる媒質２に入射する際の媒質１と媒質２との境界面におけるＳ偏光の反射率Ｒ_ｓ及びＰ偏光の反射率Ｒ_ｐは、境界面における光の入射角及び屈折角をそれぞれθ_１，θ_２とし、Ｓ偏光及びＰ偏光の振幅反射率をそれぞれｒ_ｓ，ｒ_ｐとすると、

より、

から求めることができる。ここで、スネルの法則：

を用いて反射率Ｒ_ｓ，Ｒ_ｐを入射角θ_１の関数として求め図示すると、図５に示すグラフとなる。なお、図５においては、ｎ_１＝１．０とし、図５（ａ）ではｎ_２＝１．３、図５（ｂ）ではｎ_２＝１．５、図５（ｃ）ではｎ_２＝２．０としている。

一方、媒質１内を進行した光が、金属等の吸収性媒質に入射する際の媒質の境界面におけるＳ偏光の反射率Ｒ´_ｓ及びＰ偏光の反射率Ｒ´_ｐを、複素屈折率を用いて光の入射角θ_１の関数として求め図示すると、図６に示すグラフとなる。なお、例えば、吸収性媒質が銀であればＲ＝０．９、金であればＲ＝０．５である。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ｎ_２の値に関わらず、Ｓ偏光の反射率Ｒ_ｓが、入射角θ_１が大きくなるにつれて単調に増加しているのに対し、Ｐ偏光の反射率Ｒ_ｐは、一旦は減少して６０°付近において０になった後に急激に増加している。従って、入射角が増大し、特に４０°を超えた辺りからは、Ｒ_ｓがＲ_ｐに比して極端に大きくなる。また、図６においても、反射率Ｒ´_ｓが、入射角θ_１が大きくなるにつれて単調に増加しているのに対し、反射率Ｒ´_ｐは、一旦は減少して６０°付近において最小になった後に急激に増加しており、入射角が４０°を超えた辺りからは、Ｒ_ｓがＲ_ｐに比して極端に大きくなる。このことは、媒質の性質に関わらず、入射する光の入射角が増大し、特に入射角が４０°を超えた場合には、反射面において反射するＳ偏光の割合は、Ｐ偏光のそれより極端に大きくなることを意味している。即ち、投影面に対して４０°より大きい入射角で光を照射した場合の投影像内に発生する眩しい領域は、反射率の大きいＳ偏光の直線偏光を照射した場合の方が、反射率の小さいＰ偏光の直線偏光を照射した場合よりも大きくなる。

上述の事項を実験で確認した結果を図７に示す。図７（ａ）は、Ｓ偏光の直線偏光を投影面（机の表面）に対して入射角７０°で照射したときの投影像を撮影した画像であり、図７（ｂ）は、Ｐ偏光の直線偏光を投影面に対して入射角７０°で照射したときの投影像を撮影した画像である。図７に示すように、投影像内の眩しい領域は、Ｓ偏光の直線偏光が照射された場合の方が、Ｐ偏光の直線偏光が照射された場合よりも大きくなっており、Ｓ偏光とＰ偏光の反射率から考察される事項を実際に確認することができる。従って、４０°より大きい入射角で投影光を照射する場合には、反射率の低いＰ偏光の直線偏光を投影光として用いた方が、投影像内に発生する眩しい領域が小さくなるため、良好な投影を行うことができる。

以上より、この実施の形態に係るプロジェクタによれば、画像の投影光として載置面に対してＰ偏光に揃えられた投影光を投射するため、プロジェクタが載置された載置面に対して４０°より大きい入射角で画像の投影を行う場合に、投影像内に発生する眩しい領域を少なくして良好な投影を行うことができる。

また、この実施の形態に係るプロジェクタにおいては、投影ユニットが備える投影光学系の最下流に補償板を設置しているため、プロジェクタから照射される投影光の偏光状態を補償して所望の直線偏光にすることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る投影ユニットについて説明する。なお、第２の実施の形態に係る投影ユニット１６０は、ユニット筐体内に設けられたＬＣＯＳ及びＰＢＳに替えて、ＬＣＤ及びミラーを備えている点で第１の実施の形態に係る投影ユニット６０とは異なるが、この点以外は投影ユニット６０と同一の構成を備えている。従って、投影ユニット１６０の説明においては、投影ユニット６０と同一の構成については説明を省略する。また、投影ユニット１６０の説明においては、投影ユニット６０と同一の構成には同一の符号を付して行なう。

図８は、第２の実施の形態に係る投影ユニット１６０の内部の構成を示す断面図である。なお、図８は、投影ユニット１６０が有するユニット筐体１６２をプロジェクタ２の正面から見たときの断面図である。図８に示すように、ユニット筐体１６２の下部には、ＬＥＤ６４、集光レンズ群６６、投影光のＰ偏光成分のみを透過する第１偏光板１６４、画像表示素子としてのＬＣＤ（透過型の液晶ディスプレイ）１６６、投影光のＳ偏光成分のみを透過する第２偏光板１６８、投影光の進行方向に対して４５°の角度で設置されたミラー１７０が設置されている。

ＬＥＤ６４から＋Ｘ方向へ発光され、集光レンズ群６６により平行光に変換された無偏光である投影光は、第１偏光板１６４によってＰ偏光の直線偏光に変換された後に、ＬＣＤ１６６に入射する。ここで、ＬＣＤ１６６を構成する画素領域の中で、電圧が印加されていない画素領域は位相板として機能するため、当該画素領域を透過した光はＰ偏光からＳ偏光に変換される。一方、電圧が印加された画素領域を透過した光は偏光特性に変化が生じず、Ｐ偏光のまま射出される。Ｐ偏光とＳ偏光の混合光となってＬＣＤ１６６から射出された投影光は、Ｓ偏光のみが第２偏光板１６８を透過してミラー１７０に到達する。

ミラー１７０において反射し、進行方向が＋Ｙ方向へ偏向されたＳ偏光は、Ｚ軸方向に振動する直線偏光として投影レンズ群７２に入射する。投影光の偏光状態は、投影レンズ群７２を透過する際に生じる位相差によって変化するが、補償板７４を透過することによって当該位相差が補正されて再びＺ軸方向に振動する直線偏光に変換される。従って、第１の実施の形態に係る投影ユニット６０における場合（図４参照）と同様に、Ｚ軸方向に振動する直線偏光としてミラー７６において反射した投影光は、筐体４の投影窓６を透過した後に、載置面Ｇに対して入射角が４０°より大きいＰ偏光として照射される。

以上より、第２の実施の形態に係る投影ユニットを備えるプロジェクタにおいても、反射率の小さいＰ偏光に揃えられた投影光を４０°より大きい入射角で載置面に対して照射することができるため、プロジェクタが載置された載置面に対して画像の投影を行う場合に、投影像内に発生する眩しい領域を少なくして良好な投影を行うことができる。

なお、上述の実施の形態においては、投影ユニットの投影光学系の最下流に設置する補償板として１／４波長板を用いているが、１／２波長板であってもよい。即ち、例えば、投影ユニット内の集光光学系や投影光学系の配置が上述の実施の形態とは異なることにより、当該投影光学系を透過した投影光が、図４におけるＸ軸方向に振動する直線偏光になる場合には、投影光学系の最下流の位置に１／２波長板を補償板として設置することにより、当該投影光をＺ軸方向に振動する直線偏光に変換させることができる。このようにして偏光状態を変換させることにより、プロジェクタの投影窓から載置面に対して投射される投影光を、常に載置面に対するＰ偏光として照射することができるため、良好な投影を行うことができる。

また、上述の実施の形態に係る投影ユニットは、投影光学系の光軸回りに補償板を回転させる機構を更に備えていてもよい。この場合には、補償板の遅相軸の角度を、投影光の偏光状態を補償するための最適な角度に適宜設定することができる。

また、上述の実施の形態に係るプロジェクタは、被写体を撮像する撮像機能を有する撮像ユニットを更に備えていてもよい。この場合には、撮像ユニットによって撮像された被写体の画像を、プロジェクタを載置した載置面に対して投影して観賞することができる。

実施の形態に係るプロジェクタの画像投影時の外観を示す斜視図である。実施の形態に係るプロジェクタの内部の構成を示す正面図である。実施の形態に係る投影ユニットの内部の構成を示す断面図である。実施の形態に係るプロジェクタから投射される投影光の偏光状態を説明する図である。誘電体に入射する入射光の境界面におけるＳ偏光とＰ偏光の反射率を示すグラフである。吸収性媒質に入射する入射光の境界面におけるＳ偏光とＰ偏光の反射率を示すグラフである。Ｓ偏光とＰ偏光が入射角７０°で反射した時の状態を示す写真である。他の実施の形態に係る投影ユニットの内部の構成を示す断面図である。

符号の説明

２…プロジェクタ、４…筐体、６…投影窓、６０，１６０…投影ユニット、６２，１６２…ユニット筐体、６４…ＬＥＤ、６６…集光レンズ群、６８…ＰＢＳ、７０…ＬＣＯＳ、７２…投影レンズ群、７４…補償板、７６，１７０…ミラー、１６４…第１偏光板、１６６…ＬＣＤ、１６８…第２偏光板、Ｇ…載置面、Ｐ…投影画像

Claims

画像を投影する投影光を投射する投影ユニットと、
前記投影ユニットを収容する筐体とを備え、
前記投影ユニットは、前記筐体が載置面上に載置されている状態において、前記投影光を反射する投影面に対してＰ偏光に揃えられた前記投影光を投射し、
前記投影ユニットは、前記投影ユニットに収容された投影光学系の最下流の位置に前記投影光の偏光状態を補償する補償板と、前記補償板を回転させる回転機構とを備え、
前記投影面に対してＰ偏光に揃えられた前記投影光となるように前記補償板の回転位置が設定され、
前記投影面に対してＰ偏光に揃えられた前記投影光により、前記投影光を反射する前記投影面に投影像が形成されることを特徴とする投影装置。
前記投影ユニットは、
前記投影面に対して４０°より大きい入射角で前記投影光を投射することを特徴とする請求項１記載の投影装置。
前記投影面は、前記載置面であることを特徴とする請求項１又は２記載の投影装置。
前記投影面は、前記載置面に平行な面であることを特徴とする請求項１又は２記載の投影装置。
前記投影面は、前記筐体の外部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の投影装置。
前記補償板は、１／４波長板または１／２波長板であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の投影装置。