JP5380825B2 - 撮像機能付き投射光学装置 - Google Patents

Description

この発明は「撮像機能付き投射光学装置」に関する。

投射光学装置としてのプロジェクタは高輝度化や低コスト化が進み、会議室等に常設されることが一般となりつつある。
プロジェクタに「画像をスクリーン上に投射する通常の投射機能」の他に、スクリーン上の画情報を撮像する撮像機能を持たせたものが提案されている（特許文献１〜３）。

プロジェクタにより投射される原画像は、透過型や反射型の液晶ライトバルブや、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）に表示され、光源手段からの光により照射される。照射光は原画像により変調され、投射光学系を透過して結像光となりスクリーン上に結像投射される。従って、原画像位置とスクリーン位置とは、投射光学系により「結像関係」即ち共役な関係にある。スクリーン上に投射される光を「作像光」と呼ぶ。

この共役関係においてスクリーン面を物体面とすれば、スクリーン面からの光は、投射光学系により「原画像の位置」に結像する。この結像に与る光を「撮像光」と呼ぶ。そこで、投射光学系と原画像表示位置との間に、作像光と撮像光の光路を分離する光路分離手段を配して、撮像光の光路を作像光の光路から分離して、撮像手段の受光面上に結像させるようにすれば、スクリーン上の画情報を撮像する撮像機能を実現できる。特許文献３に記載された画像入出力装置は、このような場合の１例である。

撮像機能を有する投射光学装置では、作像光の「スクリーンによる反射光」のうち、作像光がスクリーンで正反射された反射光成分（以下「正反射光成分」という。）が投射光学系に入射すると、撮像画像に「ホットスポット」と呼ばれる高輝度のスポットを生じ、ホットスポットの近傍における撮像画像の読取が困難になることが発明者らの研究を通じて明らかになった。

例えば、特許文献３の画像入出力装置では、作像光の中心光軸がスクリーンに対して直交するので、スクリーンによる正反射光成分が多量に投射光学系に入射して強い輝度のホットスポットを生じさせやすい。

特開２００６―７８６４５ 特開２００７―５２２１８ 特開２００３―４４８３９

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ホットスポットによる撮像画像の像質低下を有効に防止できる撮像機能付き投射光学装置の実現を課題とする。

この発明の撮像機能付き投射光学装置は「入力画像信号により原画像を生成する作像手段に、光源手段からの光を照明光学系により照明し、原画像に応じて変調された作像光を、投射光学系により投射面上に結像投射するとともに、投射面からの光が撮像光として投射光学系を介して結像する像を撮像手段により撮像して撮像信号化する撮像機能を有する撮像機能付き投射光学装置」であり、以下の特徴を有する（請求項１）。

即ち、作像手段と投射光学系との間に「作像光と撮像光の光路を相互に分離する光路分離手段」を有し、作像手段に表示される原画像が「投射光学系により投射面上に、斜め投射」され、この斜め投射の条件が「投射光の、投射面による正反射光成分が投射光学系に入射しない」ように定められている。

説明を若干捕捉する。
「原画像」は、投射されるべき画像情報であり、上記の如く作像手段に入力画像信号により生成される。
「投射面」は、原画像を投射すべき面であり、一般に「スクリーン」であるが、画像を投射できるものであればスクリーン以外にも用いることができる。例えば、ホワイトボードのボード面や「白壁」を投射面として使用できる。

照明手段により原画像を照射すると、照射光は原画像により強度変調され、強度変調された光は投射光学系により投射面上に結像される。このように投射面上に結像する「原画像の像」を「投射画像」と呼ぶ。従って、原画像により強度変調された光は「投射画像を結像するための物体光」であり、この物体光が「作像光」である。作像光は投射光学系により結像光となり「投射光」として投射面に結像投射される。

「撮像手段により撮像される画像」は、投射光学系により投射面に投射される投射画像自体である場合や、投射面に手書きや印刷等で付加されたり「他の投射光学系により投射された投射画像」のような付加画像またはこれらの複合である複合付加画像や「上記付加画像や複合付加画像と投射画像の合成画像」等であることができる。

「斜め投射」は、投射される作像光の主光線が「投射光学系の光軸に対して交差している」状態で投射が行われる投射方式である。斜め投射方式では、投射面上に投射される投射画像の中心位置は、投射光学系の光軸に対して一方向へずれ、上記光軸は投射画像の中心と合致しない。
斜め投射の「投射角（上記投射光の主光線と投射光学系の光軸とのなす角を言う。）」が大きくなるほど、投射光学系光軸と投射画像中心とのずれ量は大きくなる。

「投射光の、投射面による正反射光成分」は、投射光が投射される投射面を「平坦な鏡面」として想定した場合に「投射面により正反射される投射光と同一方向へ反射される反射光成分」である。投射面は一般に鏡面ではなく、投射面での反射は拡散反射が一般であるが、反射光成分のうちで「正反射光成分」は、他の反射光成分に比して強度が強く、投射光学系を介して撮像手段の受光面に入射すると上記ホットスポットを生じやすい。

投射角が大きくなり、投射された投射画像の画像領域から「投射光学系光軸」が十分にずれると、投射面による正反射光成分は全て「投射光学系に入射しない方向」へ進むようになる。

請求項１において「投射光の、投射面による正反射光成分が投射光学系に入射しない」という斜め投射の条件は、上記投射角が「投射面による正反射光成分の全てが、投射光学系に入射しない方向へ進むため」に必要にして十分な大きさに定められていることを意味する。補足すると、仮に、投射面が鏡面であるとすれば、請求項１にいう「斜め投射の条件」が満足されれば、作像光は投射光として投射面に投射されると、その全てが「投射光学系に入射しない方向」へ進んでしまうから、このような場合には、投射面上に投射された画像を「撮像」することは全くできなくなる。

即ち、請求項１記載の撮像機能付き投射光学装置において、投射画像自体を撮像機能により撮像できるためには、投射面での反射が拡散反射でなければならない。勿論、一般の投射面であるスクリーンや上述のボード面、白壁などは何れも投射光を拡散反射させるので、投射画像自体を撮像機能により撮像できることは言うまでもない。

請求項１記載の撮像機能付き投射光学装置は「撮像光が、投射光学系と補助光学系との結像作用により撮像手段の受光面上に結像する」ように構成できる（請求項２）。
撮像光を投射光学系のみで結像させる場合、光路分離手段により作像光の光路から分離された撮像光は分離された光路上で「原画像と等価な位置」に結像する。従って、結像する撮像光の像（「撮像光像」と呼ぶ。）の大きさは原画像と同一サイズになる。

一方で、撮像光像を受光する「撮像手段の受光面」は、必ずしも原画像のサイズと同一ではない。このような場合、原画像と「撮像手段の受光面」のサイズが異なっても、補助光学系により受光面上に結像する撮像光像のサイズを調整する事により、両者の画素をフルに利用できる。

たとえば、原画像を液晶ライトパネルに表示し、撮像光像を撮像手段に含まれるＣＣＤの受光面に結像させる場合を考えると、液晶ライトパネルの原画像表示面のサイズは一般に、ＣＣＤの受光面よりも大きい。このような場合、原画像と同サイズの撮像光像を受光面上に結像させたのでは、撮像光像の全体をＣＣＤにより撮像することができない。受光面の大きいＣＣＤ等を作成するには高いコストがかかる。

このような場合、補助光学系を用い「投射光学系と補助光学系の合成系」により、撮像光像の結像倍率を調整して撮像手段の受光面に「撮像光像の全体」を結像させることが可能となる。

このように補助光学系を用いる場合、撮像光を投射光学系の結像作用で「投射光学系と補助光学系との間」に１次像として結像させ、「この１次像」を物体として、補助光学系により撮像手段の受光面上に結像させるように構成することができる（請求項３）。

この場合、撮像手段の受光面に結像する撮像光像の結像倍率は、補助光学系の結像倍率により、原画像のサイズより大きくも小さくもなり得るが、一般には、上記のように受光手段の受光面は原画像の表示面積より小さいので、補助光学系の結像倍率は「縮小倍率」であることが好ましい（請求項４）。このように補助光学系で１次像の像を結像させるようにすると、投射光学系の光学パラメータに関わらず、補正光学系の調整により、撮像手段の受光面上に所望のサイズの撮像光像を結像させることができる。

請求項２または３または４記載の撮像機能付き投射光学装置は、撮像手段が「補助光学手段の収差や色倍率を補正する画像処理部」を有し、この画像処理部を介して撮像画像信号を生成する構成であることが好ましい（請求項５）。

補助光学系の収差や色倍率を画像処理部で補正するようにすれば、補正光学系自体の収差や色倍率が高精度に補正されていなくても、画像処理部による処理で収差や色倍率を補正できる。従って、補正光学系に高い光学性能を要求する必要がないので、補正光学系を簡素化でき、コストの低減を図ることができる。

請求項１〜５の任意の１に記載の撮像機能付き投射光学装置は、作像手段が透過型もしくは反射型の液晶ライトバルブを有し、入力画像信号による原画像が液晶ライトバルブに生成されるように構成できる（請求項６）。

この場合、単一の液晶ライトバルブを用いる場合、撮像手段としては１板のＣＣＤまたはＣＭＯＳを撮像素子として有する構成とすることができる（請求項７）。この場合、単一の液晶ライトバルブに「モノクロ画像用の原画像」を生成し、モノクロの投射画像を投射し、このモノクロの投射画像を物体とする撮像光像をＣＣＤあるいはＣＭＯＳの受光面に結像させて撮像することができる。

あるいはまた、液晶ライトバルブとして所謂「単板のカラー液晶ライトバルブ」を用いてカラーの投射画像を投射し、カラーの投射画像を、色分解フィルタのアレイを有するＣＣＤやＣＭＯＳによりカラー撮像画像として撮像することもできる。

また、請求項６記載の撮像機能付き投射光学装置は、作像手段が「２または３板の透過型または反射型の液晶ライトバルブ」と、これら液晶ライトバルブからの作像光を合成する色合成素子とを有するように構成し、照明光学系が、作像手段の２または３板の液晶ライトバルブに「互いに異なる波長領域の光」を照射する構成とすることができる（請求項８）。このようにすることより、多色もしくはフルカラーの投射画像を表示できる。この場合、投射画像の解像度を高めることができる。

請求項８記載の撮像機能付き投射光学装置において、撮像手段として「色分解フィルタを有する１板の撮像素子」を用いて撮像を行うことができるが、撮像手段として２または３板のＣＣＤまたはＣＭＯＳを撮像素子として有し、光路分離手段が「撮像光を各撮像素子用に分離する機能」を有する構成とすることができる（請求項９）。このようにすると、撮像光像を多色もしくはフルカラーで且つ高解像度で撮像することができる。

請求項９記載の撮像機能付き投射光学装置においては、色合成素子への各液晶ライトバルブからの作像光光軸を含む面Ａと「色合成素子による色合成後の色合成光と撮像光の光軸とを含む面Ｂ」とが直交するようにすることが好ましい（請求項１０）。

請求項９または１０記載の撮像機能付き投射光学装置においては、色合成手段への各液晶ライトバルブからの作像光光軸を含む面Ａと「各撮像素子用に分離された撮像光の各主光線軸を含む面Ｃ」とが直交する構成とすることができる（請求項１１）。

以上に説明したように、この発明によれば新規な「撮像機能付き投射光学装置」を実現できる。この発明の「撮像機能付き投射光学装置」は、上記の如き構成となっているのでホットスポットを生じさせること無く撮像光像を良好に撮像できる。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、撮像機能付き投射光学装置の実施の１形態を示す。この図は、装置を側面から見た説明図である。
図において、符号１は光源手段としてのランプ、符号３は照明光学系、符号５は作像手段としての透過型の液晶ライトバルブ、符号７は光路分路手段としての偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略記する。）、符号９は投射光学系としての投射レンズ、符号１１は投射面であるスクリーン、符号１３は撮像手段の受光部をなす撮像素子を示している。

この撮像機能付き投射光学装置は、投射光学装置としては「フロントプロジェクタ型」である。
光源手段であるランプ１としては例えば「超高圧水銀ランプ」を使用できる。
照明光学系３としては従来からプロジェクタ用の照明光学系として知られた「フライアイインテグレータ光学系」を用いることができる。
「光路分離手段」としてこの実施の形態においてはＰＢＳ７が用いられているが、ＰＢＳに代えて「ハーフミラー」を用いることもできる。しかし、ＰＢＳ７を用いることにより光の利用効率を高め、明るい撮像光像を撮像することができる。

投射光学系としての投射レンズ９は、図には簡単化して１枚のレンズとして描いてあるが、従来からプロジェクタ用に知られたレンズ系を適宜に用いることができる。
スクリーン１１は拡散反射性で、且つ、偏光光束を「実質的なランダム偏光」にして反射させるような反射特性を持つものである。
撮像素子１３は、この実施の形態例ではＣＣＤであるが、ＣＭＯＳを用いることもできる。

作像手段である透過型の液晶ライトバルブ５に「入力画像信号により原画像を生成」し、光源手段であるランプ１からの照明光を照明光学系３を介して照明する。このとき、照明光学系３は、ランプ１からの光を「均一な強度の直線偏光」に変換し、この均一な強度の直線偏光が液晶ライトバルブ５に入射する。液晶ライトバルブ５は、生成された原画像に応じて、光を透過させることにより光を強度変調して作像光ＬＩとする。

作像光ＬＩは液晶ライトバルブ５により偏光面を旋回されており、ＰＢＳ７に対してはＰ偏光となっている。従って、ＰＢＳ７に入射する撮像光ＬＩはＰＢＳ７を実質的に全て透過する。そして、投射レンズ９に入射し、投射レンズ９の作用により結像光束となってスクリーン１１上に投射結像される。
図で符号ＬＰは「結像光束の中心光線」を示している。

図１に示すように、投射レンズ９に入射する作像光ＬＩの中心光線は、投射レンズ９の光軸ＡＸに対して平行にずれている。従って、作像光ＬＩが投射レンズ９により結像光束となったときの中心光線ＬＰは光軸ＡＸに対して傾いており、投射画像は「斜め投射」される。結像光束の中心光線ＬＰと投射レンズ９の光軸ＡＸとがなす角が前述の「投射角」であり、投射レンズ９と液晶ライトバルブ５の「図の上下方向における位置関係」により定まる。

投射光がスクリーン１１により拡散反射されると、反射光は種々の方向へ散乱されるが、そのうちの正反射光成分ＰＮは、図の右上方へ向かって進む。そして、上記投射角は、正反射光成分ＰＮが投射レンズ９へ入射しないように設定されている。

スクリーン１１で拡散反射された反射光の一部は、投射レンズ９にスクリーン側から入射する。このとき投射レンズ９に入射する上記反射光は「撮像光（符号ＬＲで示す。）」であり、スクリーン１１の拡散反射作用により「ランダム偏光状態」となっている。

投射レンズ９を光源側へ透過した撮像光ＬＲは、このランダム偏光状態でＰＢＳ７に入射し、ＰＢＳ７に対してＳ偏光成分（５０％）が反射されることにより、作像光ＬＩの光路から分離し、撮像素子１３の受光面に撮像光像として結像する。撮像素子１３の出力として撮像画像信号が得られる。

上記正反射光成分ＰＮの一部が投射レンズ９に入射すると前述の「ホットスポット」が撮像光像に生じてしまうが、図１の装置では「正反射光が投射レンズ９に戻らない」ので、ホットスポットの発生を有効に回避できる。

上記の如く、撮像光は略「ランダム偏光状態」にあり、ＰＢＳ７に入射する光の半分はＰＢＳを透過し、撮像光像の結像に寄与しない。このため、撮像光像の明るさが減ることになるが、ホットスポットが生じないため「撮像のゲインを高くして良好なコントラストが得られる撮像」が可能である。ホットスポットが生じてしまうと、撮像のゲインを高くするとホットスポットも明るくなるか、あるいは撮像画像信号が飽和するため、良好な撮像は困難である。
また、図１の実施形態において斜め投射は、プロジェクタ光学系からスクリーンまでの水平距離を短くでき、スクリーン観察者にとってプロジェクタ光学系が邪魔にならない。

図２に撮像機能付き投射光学装置の実施の別形態を示す。繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものに付いては、図１におけると同一の符号を付する。後述する他の実施形態を示す図においても同様とする。

図２においては、光源手段と照明光学系とは図示を省略しているが、これらは図１におけるランプ１、照明光学系３と同様のものであり、図２において、透過型の液晶ライトバルブ５の下方に配置される。

液晶ライトバルブ５には「入力画像信号により原画像が生成」され、この状態で照明手段からの光が照射光学系により「実質的な直線偏光状態」の光束として照射される。照射された光は原画像に応じて強度変調されて作像光となり、ＰＢＳ７に対してＰ偏光状態となってＰＢＳ７を透過し、投射レンズ７により結像光束となって、スクリーン１１上に斜め投射される。

図２において、符号Ｌ１は、投射される光束のうち「投射画像の上端部に到達」する光線を示し、この光線Ｌ１のスクリーン１１による正反射光ＰＮ１は、図の右上方へ向かって進行する。符号Ｌ２は、投射される光束のうち「投射画像の下端部に到達」する光線を示し、この光線Ｌ２のスクリーン１１による正反射光ＰＮ２は、図の右上方へ向かって進行する。従って、スクリーン１による「正反射光成分の範囲」は、正反射光ＰＮ１とＰＮ２との間にあり、これらが投射レンズ９に入射することはないので、撮像光像にホットスポットを生じることはない。

スクリーン１１による「投射光の拡散反射光」あるいは、室内照明の光がスクリーンで散乱されたものが「スクリーン１１上に手書きされた文字情報や画像情報」を撮像光として投射レンズ９とＰＢＳ７を経て撮像素子１３に到達して撮影される。

この実施例の場合も撮像光像にホットスポットがノイズとして作用することが無く、スクリーン１１上の上方を良好に撮像できる。

また、図２の実施の形態においても、斜め投射はプロジェクタ光学系（ランプから投射レンズまでの光学系）とスクリーンまでの水平距離を短くすることができ、スクリーン観察者にとってプロジェクタ光学系が邪魔にならない。

図１、図２に即して説明した実施の形態において、スクリーンに手書きや印刷で付加された画像（付加画像）は「室内照明光を照明光として撮像」することもできる。室内照明光は一般にランダム偏光状態で、スクリーン上の手書き画像によって一部の波長が吸収され、透過した光がスクリーンの反射層で拡散反射される。この拡散反射光のうち投射レンズに入射する成分が、ＰＢＳで約半分の光量が撮像素子側に反射され、撮像手段の受光面上に結像するので、これを画像信号化すればよい。

投射画像を投射状態で「スクリーン上の手書き画像等の付加画像のみ」を撮像する要望がある場合には、まず「投射画像と付加画像が混在する画像」を撮像し、その後「原画像を生成する入力画像信号」と「撮像光像から得られる画像信号」とを比較することにより、投射画像に対応する撮像画像信号成分（原画像を生成する入力画像信号に対応する）を画像処理によって取り除けばよい。

上記手書き等による付加画像のみを撮像する際に「室内照明の明るさが不足」しているような場合、投射光学装置からの「全白（画像情報がない状態）」の光を瞬間的に照射してフラッシュ代わりに利用することができる。

図３に、撮像機能付き投射光学装置の実施の他の形態を説明図的に示す。
図示されない光源手段と照明光学系は、図１の実施の形態におけるものと同様であり、透過型の液晶ライトバルブ５の図で右方から、直線偏光状態の照明光を液晶ライトバルブ５に照射する。液晶ライトバルブ５に生成された原画像に応じて強度変調された作像光ＬＩは、ＰＢＳ７を透過し、投射レンズ９により投射光ＬＰとなり、スクリーン１１上に斜め投射されて投射画像として結像する。

スクリーン１１上の「手書き等による付加画像」による画像光（散乱光）や、投射画像の拡散反射光は、その一部が撮像光ＬＲとして投射レンズ９を経てＰＢＳ７に入射し、ＰＢＳ７により反射された成分は、結像する前に補助光学手段であるリレーレンズ１５を介してＣＣＤ１３の受光面に結像して撮像される。

この実施の形態においては、補助光学手段であるリレーレンズ１５と投射レンズ９とによって「撮像手段の受光面とスクリーン面」が結像関係となる。この例では、撮像光ＬＲは投射レンズ９からリレーレンズ１５に至るまでに像を結像せず、ＣＣＤ１３の受光面に所定の倍率で結像する。

即ち、この構成では「液晶ライトバルブ５のスクリーン１１への投射倍率」と「ＣＣＤ１３の受光面とスクリーン１１との結像倍率」とを異ならせることができる。従って、サイズが互いに異なる液晶ライトバルブとＣＣＤ等の撮像素子であっても、両者の画素をフルに利用できる。即ち、撮像光像のサイズをＣＣＤ１３の受光面のサイズに合致させて結像させることにより、ＣＣＤ１３の画素をフルに利用できる。また、ＰＢＳ７からＣＣＤ１３までの距離を比較的短くできる。

上述した図１〜図３の実施の形態のように、原画像を生成するのに「透過型の液晶ライトバルブ」を用いると、反射型ライトバルブを用いる場合に比して「光源手段から液晶ライトバルブまでの光学系」を比較的コンパクトでき、投射光学装置自体もコンパクトにできる。

図４に、撮像機能付き投射光学装置の、実施の他の形態を説明図的に示す。
この実施の形態では、補助光学手段としてリレーレンズ１５Ａが用いられている。リレーレンズ１５Ａは「ＰＢＳ７により光路をＣＣＤ１３側に分離され、投射レンズ９により撮像光が１次像として結像する像面ＩＳＡ」を物体面とし、ＣＣＤ１３の受光面を像面とする結像機能を有する。

例えば、液晶ライトバルブ５の表示画素領域（原画像が生成される領域）とＣＣＤ１３の受光画素領域（受光機能を持つ受光面領域）のサイズ比をｍ倍（一般的にサイズ比：ｍは１より小さい。）とすると、リレーレンズ１５Ａは、上記結像機能の結像倍率がｍ倍となるものが用いられる。

このようにすると、投射レンズ９とリレーレンズ１５Ａを「個別に設計したもの」とすることができるため、投射レンズ９のレンズ設計データ（レンズパラメータ）を入手できなくてもリレーレンズ１５Ａを作製することが可能である。

ここで、図４に即して説明した「１次像と撮像手段の受光面」とを結像関係とするリレーレンズ１５Ａをレンズ１枚で構成する場合と、レンズ２枚で構成する場合を説明する。上記の説明におけるリレーレンズ１５Ａの倍率：ｍを「１／２」とする。
図１０（ａ）は、リレーレンズ１５Ａを、焦点距離：ｆの薄いレンズ１枚で構成する場合であり、物体面（１次像の結像面ＩＳＡ）とリレーレンズ１５Ａとの間隔を３ｆ、リレーレンズ１５Ａと像面（ＣＣＤ１３の受光面）ＩＭＳとの間隔を１．５ｆとすれば、倍率：１／２の補助光学手段を実現できる。

図１０（ｂ）のようにリレーレンズ１５Ａを２枚のレンズ１５Ａ１、１５Ａ２で構成する場合には、レンズ１５Ａ１の焦点距離を２ｆ、レンズ１５Ａ２の焦点距離をｆとし、物体面ＩＳＡからレンズ１５Ａ１までの距離を２ｆ、レンズ１５Ａ１、１５Ａ２のレンズ間距離を２ｆ＋ｆ＝３ｆ、レンズ１５Ａ２から物面ＩＭＳまでの距離をｆとすることによって倍率：１／２のリレーレンズ１５Ａを構築できる。
勿論、リレーレンズ１５Ａを「３枚以上のレンズにより構成する」こともできることは言うまでもない。

図５は、図４の実施の形態に対して、撮像素子であるＣＣＤ１３からの撮像信号を画像処理する「画像処理部」として画像処理回路１７を付加した実施の形態である。

この場合、特開２００６−３５１０１７に記載の「電気光学オプティクスのエンドツーエンド設計」を採用することによってリレーレンズ１５Ａを簡素化し、例えば単レンズ構成としても画像処理による補正を行うことにより良好な撮像画像を得ることができる。また、ＣＣＤ１３までの光学系を比較的コンパクトにでき、リレーレンズ１５Ａの簡略化にともなう色倍率や像面歪曲などの収差発生を画像処理によって補正可能となる。

図６は撮像機能付き投射光学装置の、実施の他の形態を説明図的に示している。
図６（ａ）は側面から見た状態、（ｂ）は（ａ）の上方から見た状態である。
図６（ｂ）に示すように、この実施の形態では、作像手段が３板の透過型の液晶ライトバルブ５Ｒ、５Ｇ、５Ｂと、これら液晶ライトバルブ５Ｒ、５Ｇ、５Ｂからの作像光を合成する「色合成素子」であるダイクロイックプリズムＧＰＬを有し、照明光学系が、３板の液晶ライトバルブ５Ｒ、５Ｇ、５Ｂに「互いに異なる波長領域の光：Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）」を照射する構成となっている。

光源手段からの「照明光」はダイクロイックミラー（ＤＭ１、ＤＭ２）によりＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の光に分けられ、Ｒ（赤）の光はミラーＭ１により反射されて液晶ライトバルブ５Ｒに照射され、Ｇ（緑）の光は液晶ライトバルブ５Ｇを照明する。 また、Ｂ（青）の光はミラーＭ２、Ｍ３により反射されて液晶ライトバルブ５Ｂを照射する。

撮像素子であるＣＣＤ１３Ａは、ＰＢＳ７で反射された撮像光の像形成位置に受光面を合致させて配置される。ＣＣＤ１３は「単板のカラーフィルタ付きＣＣＤ」であり、カラー撮像画像を色分解して各色：Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の画像信号用に分割して出力する。
この実施の形態では、フルカラーの投射画像をスクリーンに投影でき、フルカラーの撮像を実現できる。

図７に示す実施の形態は、図６の実施の形態における単板のＣＣＤ１３Ａに代えて、３枚の単板ＣＣＤ１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを用い、ＰＢＳ７により反射された撮像光ＬＲをこれらＣＣＤ１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ用に色分離するダイクロイックプリズム１３Ｄを用いる例である。即ち、この実施の形態では、ＰＢＳ７とダイクロイックプリズム１３Ｄとにより「光路分離手段」が構成され、光路分離手段の構成部分であるダイクロイックプリズム１３Ｄが「撮像光を各撮像素子用に分離する機能」を果たすのである。
ＰＢＳ７と投射レンズ９との位置関係は、図６の場合と同様である。
即ち、側面から見た場合には、図６（ａ）のように、投射レンズ９の光軸ＡＸは、ＰＢＳ７の中央部よりも上方にずれている。
即ち、図７において、ダイクロイックプリズムＧＰＬにより合成された作像光束の光軸に対して、投射レンズ９の光軸ＡＸは、図７の図面に直交する方向へ平行にずれている。

光源手段からの「照明光」はダイクロイックミラー（ＤＭ１、ＤＭ２）によりＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の光に分けられ、Ｒ（赤）の光はミラーＭ１により反射されて液晶ライトバルブ５Ｒに照射され、Ｇ（緑）の光は液晶ライトバルブ５Ｇを照明する。 また、Ｂ（青）の光はミラーＭ２、Ｍ３により反射されて液晶ライトバルブ５Ｂを照射する。なお、符号ＬＮはリレーレンズであり、照射光の光路長の差を補正する。

ダイクロイックプリズム１３ＤはＰＢＳ７により反射された撮像光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色に色分解する。色分解されたＲ（赤）の光はＣＣＤ１３Ｒに入射して赤色の撮像光像を受光面上に結像する。Ｇ（赤）の光はＣＣＤ１３Ｇに入射して緑色の撮像光像を受光面上に結像する。Ｂ（青）の光はＣＣＤ１３Ｂに入射して赤色の撮像光像を受光面上に結像する。ＣＣＤ１３Ｒは撮像光像の赤色成分を画像信号化し、ＣＣＤ１３Ｇ、１３Ｂはそれぞれ、撮像光像の緑色成分、青色成分を画像信号化する。

この構成であると、Ｒ撮像光像の（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各成分が、単板ＣＣＤを用いて受光されるので、カラーの撮像光像を高解像度で撮像することができる。

図７に示すように、色合成素子であるダイクロイックプリズムＧＰＬへ各液晶ライトバルブからの作像光光軸を含む面Ａは、図７の図面に平行である。
投射レンズ９の光軸ＡＸは、上記作像光光軸を含む面に対して、図７の図面に直交する方向に平行にずれているので、色合成素子であるダイクロイックプリズムＧＰＬによる色合成後の色合成光と撮像光の光軸とを含む面Ｂは、図７の図面に対して直交する。従って、面Ａと面Ｂとは直交する。

図８に示す実施の形態は、図１に示した実施の形態における透過型の液晶ライトバルブに代えて、反射型の液晶ライトバルブ６を用いた例である。
図示されない光源手段からの照明光は、照明光学系により図の下方からＰＢＳ７に対してＳ偏光成分の直線偏光状態でＰＢＳ７に入射し、ＰＢＳ７により反射されて反射型の液晶ライトバルブ６に照射される。液晶ライトバルブ６に生成されている原画像により強度変調された作像光（反射光）ＬＩはＰＢＳ７に対してＰ偏光成分となり、ＰＢＳを透過して投射レンズ７に入射し、投射光ＬＰとなってスクリーン１１上に斜め投射される。

スクリーン１１を物体面とする撮像光（ランダム偏光状態である。）は投射レンズ９を透過してＰＢＳ７によりその半分が撮像素子であるＣＣＤ１３に向けて反射され、ＣＣＤ１３の受光面上に撮像光像を結像して画像信号化される。

この実施の形態では、ＣＣＤ７の受光面の手前に偏光板１３Ｄ１が配置されている。光源手段側からＰＢＳ７に入射する照明光は、必ずしも「ＰＢＳ７に対して完全なＳ偏光状態」にはならず、若干のＰ偏光成分が含まれており、このＰ偏光成分はＰＢＳ７を透過してＣＣＤ１３に入射し撮像光ＬＰに対するノイズ光（フレア光）となるので、これを偏光板１３Ｄ１で除去するのである。この実施の形態のように、作像手段に「反射型の液晶ライトバルブ」を用いると、開口率が高く「投射画素間の隙間が目立たない撮像画像」が得られる。

勿論、投射レンズ９による投射は「斜め投射」であるので上述とおり、撮像光像におけるホットスポットの発生を回避できる。

なお、偏光板１３Ｄ１に代えてビームスプリッタを用いても良いし、偏光板として「ワイヤーグリッド偏光子」をＰＢＳ７と投射レンズ９との間に配置し、撮像光のうち、ＰＢＳ７に対してＰ偏光成分を反射させてフレア光をカットし、Ｓ偏光成分のみを透過させるようにしても良い。このようにすれば、偏光板１３Ｄ１の使用に比して光利用効率が向上し、撮像光像が明るくなる。

図９に示す実施の形態は、図７の実施の形態の変形例であり、作像系は、図７の場合と同じく、３板の透過型の液晶ライトバルブ５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを用いており、これらを照射する方法も、各色の作像光をダイクロイックプリズムＧＰＬにより色合成する点も図７の場合と同一である。

一方、撮像手段の側は、３板のＣＣＤ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂと、ＰＢＳ７により反射された撮像光の色分解を行うダイクロイックプリズム１４Ｄ１を用いている。従って、図７の実施の形態も、「光路分離手段」はＰＢＳ７とダイクロイックプリズム１４Ｄ１により構成されているのであり、ダイクロイックプリズム１４Ｄ１が「撮像光を各撮像素子用に分離する機能」を果たす。勿論、投射レンズ９による投射光の投射は斜め投射である。

また、この実施の形態では、撮像手段における撮像素子として、３つのＣＭＯＳ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂが用いられている。

図９（ａ）、（ｂ）に示すように、色合成手段であるダイクロイックプリズムＧＰＬへの各液晶ライトバルブから入射する作像光光軸を含む面Ａは、図９（ｂ）の図面に平行な面であり、ＰＢＳ７とダイクロイックプリズム１４Ｄ１とにより、各撮像素子であるＣＭＯＳ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ用に分離された撮像光の各主光線軸を含む面Ｃは、図９（ａ）の図面に平行である。従って、面Ａと面Ｃとは互いに直交する。

このように、面Ａと面Ｃが直交するように配置すると、ＣＭＯＳ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂと液晶ライトバルブ５Ｒ、５Ｇ、５Ｂの配置の「機械的な干渉」を避けやすく、ＣＭＯＳや液晶ライトバルブからのケーブルを引き出しやすくなる。

また、この実施の形態においても、色合成素子であるダイクロイックプリズムＧＰＬへの各液晶ライトバルブからの作像光光軸を含む面Ａは図９（ｂ）の紙面に平行であり、色合成素子であるダイクロイックプリズムＧＰＬによる色合成後の色合成光と撮像光の光軸とを含む面Ｂは、図９（ａ）の図面に平行である。従って、面Ａと面Ｂとは直交する。

なお、図９（ａ）の側面図で、３つのＣＭＯＳとダイクロイックプリズム１４Ｄ１を、投射レンズ９に入射する作像光ＬＩの光軸回りに９０°回転した配置でもよい。撮像素子はＣＭＯＳに代えてＣＣＤを用いても良い。勿論、図１〜図８に示した実施例における撮像素子のＣＣＤに代えてＣＭＯＳを用いて良いことも言うまでもない。

この実施の形態においても、３板の液晶ライトバルブを用いる作像と、３枚の撮像素子を用いる撮像により、光利用効率の高い投射画像と明るい撮像光像が可能になる。

なお、上には、投射面が「偏光光束を実施的なランダム偏光状態として拡散反射する」場合を説明したが、投射面が「投射光の偏光状態を保って拡散反射するような性質のものである場合には、投射光学系と光路分離手段との間に「１／４波長板」を配置するようにすればよい。

撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 撮像機能付き投射光学装置の実施の形態を説明図的に示す図である。 補助光学系を説明するための図である。

符号の説明

１ 光源手段としてのランプ
３ 照明光学系
５ 液晶ライトバルブ（透過型）
７ 光路分離手段としてのＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
９ 投射光学系としての投射レンズ
１１ 投射面としてのスクリーン
１３ 撮像素子としてのＣＣＤ
ＬＩ 作像光
ＬＲ 撮像光
ＰＮ 投射光の正反射光

Claims (11)

1. 入力画像信号により原画像を生成する作像手段に、光源手段からの光を照明光学系により照明し、上記原画像に応じて変調された作像光を、投射光学系により投射面上に結像投射するとともに、上記投射面からの光が撮像光として上記投射光学系を介して結像する像を撮像手段により撮像して撮像信号化する撮像機能を有する撮像機能付き投射光学装置において、
   作像手段と投射光学系との間に、作像光と撮像光の光路を相互に分離する光路分離手段を有し、
   上記作像手段に表示される原画像が、投射光学系により投射面上に斜め投射され、この斜め投射の条件が、上記投射光の上記投射面による正反射光成分が上記投射光学系に入射しないように定められていることを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
2. 請求項１記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   撮像光が、投射光学系と補助光学系との結像作用により撮像手段の受光面上に結像することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
3. 請求項２記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   撮像光が、投射光学系の結像作用により、投射光学系と補助光学系との間に１次像として結像し、この１次像を上記補助光学系が撮像手段の受光面上に結像させることを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
4. 請求項３記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   補助光学系の結像倍率が縮小倍率であることを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
5. 請求項２または３または４記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   撮像手段が、補助光学手段の収差や色倍率を補正する画像処理部を有し、この画像処理部を介して撮像画像信号を生成することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   作像手段が透過型もしくは反射型の液晶ライトバルブを有し、入力画像信号による原画像が上記液晶ライトバルブに生成されることを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
7. 請求項６記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   作像手段が、１板の透過型もしくは反射型の液晶ライトバルブを有するものであり、
   撮像手段が１板のＣＣＤまたはＣＭＯＳを撮像素子として有することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
8. 請求項６記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   作像手段が２または３板の透過型または反射型の液晶ライトバルブと、これら液晶ライトバルブからの作像光を合成する色合成素子を有し、
   照明光学系が、上記２または３板の液晶ライトバルブに、互いに異なる波長領域の光を照射することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
9. 請求項８記載の撮像機能付き投射光学装置において、
   撮像手段が、２または３板のＣＣＤまたはＣＭＯＳを撮像素子として有し、
   光路分離手段が、撮像光を各撮像素子用に分離する機能を有することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
10. 請求項９記載の撮像機能付き投射光学装置において、
    色合成素子への各液晶ライトバルブからの作像光光軸を含む面Ａと、上記色合成素子による色合成後の色合成光と撮像光の光軸とを含む面Ｂとが直交することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。
11. 請求項９または１０記載の撮像機能付き投射光学装置において、
    色合成手段への各液晶ライトバルブからの作像光光軸を含む面Ａと、各撮像素子用に分離された撮像光の各主光線軸を含む面Ｃとが直交することを特徴とする撮像機能付き投射光学装置。

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