JP6330286B2

JP6330286B2 - プロジェクター

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Inventors: 信大谷
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Description

本発明は、光路上に直列に配置される第１の空間変調素子と第２の空間変調素子とを有するプロジェクターに関する。

プロジェクターにおいて、空間変調素子を２つ直列に並べて、画像のコントラストを高くするものが知られている（特許文献１〜３参照）。この場合、２つの空間変調素子の間にリレーレンズを配置して、２つの空間変調素子のうち一方の像を他方に重ね合せるように結像させており、特に、特許文献１では、２つの空間変調素子の間での結像に際して、リレーレンズとしてダブルガウスレンズを利用している。

しかしながら、上記のように２つの空間変調素子の間に配置するリレーレンズとしてダブルガウスレンズを適用することで、ある程度の収差を抑えられるとしても、各種の収差（例えば像面湾曲や非点収差）を十分に抑制できるとは限らず、小型で、テレセントリック性が良く、かつ、高性能に結像状態を維持することは必ずしも容易ではない。

特表２００６−５０９２４４号公報特開２００５−１８９２８２号公報特開２００５−２０８５７３号公報

本発明は、光路上に直列に配置される２つの空間変調素子である第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスとを有し、小型で、テレセントリック性が良く、かつ、高性能に結像状態を維持できるプロジェクターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクターは、光を射出する照明光学系と、照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、光変調装置で変調された光を投影する投写光学系と、を備えるプロジェクターであって、光変調装置は、照明光学系から射出された光の光路上に直列に配置される第１の画素マトリクス及び第２の画素マトリクスと、第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスとの間の光路上に配置されるリレー光学系とを含み、リレー光学系は、ダブルガウスレンズと、ダブルガウスレンズを光路上に沿って挟むように配置されそれぞれ正のパワーを有する１対のメニスカスレンズとを含み、１対のメニスカスレンズは、ダブルガウスレンズ側にそれぞれ凸である。ここで、２つの画素マトリクスが光路上に直列に配置されるとは、１つの光路を辿った場合において、一の画素マトリクス（例えば第１の画素マトリクス）が他の画素マトリクス（例えば第２の画素マトリクス）よりも光路上流側にあるように配置された関係にあることを言う。すなわち、第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスとの配置が相対的に光路上流側と光路下流側とにあることを言う。

上記プロジェクターによれば、第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスとの間を結像させるリレー光学系として、ダブルガウスレンズのみならず１対の正のパワーを有するメニスカスレンズを有する構成としている。さらに、当該メニスカスレンズが、ダブルガウスレンズを光路上に沿って挟み、かつ、ダブルガウスレンズ側に凸となるように配置されている。これにより、装置の大型化を抑制しつつ、テレセントリック性を良いものとし、２つの画素マトリクスを共役位置に配置した光学系の結像性能を向上させることができる。

本発明の具体的な側面では、リレー光学系は、ダブルガウスレンズにおいて絞りを有し、当該絞りの位置を基準として光軸に沿って対称な等倍の光学系である。この場合、絞りの位置を基準として対称となっていることで、例えば両画素マトリクスとして同一規格のものを適用し、かつ、これらを等価的に配置することで、コマ収差、歪曲収差を抑えている。また、メニスカスレンズにより像面湾曲収差と非点収差を抑えることで、高性能のリレー光学系とすることができる。

本発明の別の側面では、第１及び第２の画素マトリクスは、透過型の液晶画素マトリクスである。この場合、簡素な構造で明るい画像を形成させることが可能となる。また、一対のメニスカスレンズを第１及び第２の画素マトリクスに近づけた配置とすることができ、メニスカスレンズによる収差の補正の機能を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、リレー光学系において、ダブルガウスレンズの焦点距離をｆ_ｄｇとし、１対のメニスカスレンズのうち、ダブルガウスレンズの光入射側に配置される第１メニスカスレンズの焦点距離をｆ_１とし、光射出側に配置される第２メニスカスレンズの焦点距離をｆ_２としたときに、

を満たす。この場合、リレー光学系を両側テレセントリックなものとすることが可能になり、メニスカスレンズによる収差の補正の効果が十分に得られる。

本発明のさらに別の側面では、プロジェクターが、照明光学系により射出された光を波長帯域の異なる複数の色光に分離して導光する色分離導光光学系と、複数の色光に対応して上記第１の画素マトリクス及び第２の画素マトリクスと上記リレー光学系とをそれぞれ有する複数の光変調装置を有し、色分離導光光学系において分離された複数の色光をそれぞれ変調する変調光学系と、変調光学系で変調された各色の変調光を合成し、投写光学系に向けて射出する合成光学系と、をさらに備える。この場合、複数の色光を個々に変調し合成したカラー画像を形成することができる。

本発明のさらに別の側面では、色分離導光光学系及び変調光学系は、色分離導光光学系での光の分離から合成光学系での光の合成までの複数の色光の光路を等光路長とするように配置される。この場合、色光の反転回数に起因する色ムラの発生を回避することができる。また、第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスとを有する構成において、装置全体を比較的コンパクトなものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、光変調装置において、第１の画素マトリクス及び第２の画素マトリクスのうち、光路上流側に配置される第１の画素マトリクスの１つの画素は、光路下流側に配置される第２の画素マトリクスの複数の画素に対応している。この場合、第１の画素マトリクスにおいて、エリア（第２の画素マトリクスにおける複数の画素に相当）ごとに輝度を調整し、第２の画素マトリクスでは１画素ごとに輝度を調整することができる。

第１実施形態又は実施例１に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。図１のプロジェクターにおける第１の液晶画素マトリクスから第２の液晶画素マトリクスまでの光路について展開した図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の液晶画素マトリクスにおける収差について示す図である。比較例のプロジェクターにおける第１の液晶画素マトリクスから第２の液晶画素マトリクスまでの光路について展開した図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、比較例のプロジェクターの第２の液晶画素マトリクスにおける収差について示す図である。第２実施形態又は実施例２に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。図６のプロジェクターにおける第１の液晶画素マトリクスから第２の液晶画素マトリクスまでの光路について展開した図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の液晶画素マトリクスにおける収差について示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態に係るプロジェクターについて、詳細に説明をする。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るプロジェクター１００は、照明光を射出する照明光学系１０と、照明光を各色の色光に分離するとともに導光する色分離導光光学系２０と、照明光学系１０から射出され色分離導光光学系２０で分離された各色光を空間的に変調する変調光学系９０と、分離され変調された色光（変調光）を合成する合成光学系６０と、合成された合成光を投影する投写光学系７０と、プロジェクター制御部８０とを備える。これらのうち、特に、変調光学系９０は、第１の画素マトリクスを含む調光系３０と、第１の画素マトリクスから第２の画素マトリクスまでのリレーの役割を担うリレー光学系４０と、第２の画素マトリクスを含む画像表示系５０とを備える。なお、プロジェクター制御部８０は、各光学系の動作を制御する。また、プロジェクター１００の光学系全体についての光軸を光軸ＡＸとし、図１では、光軸ＡＸを含む面がＸＺ面に平行であるものとし、画像光の射出軸となる方向が＋Ｚ方向であるものとする。

照明光学系１０は、光源１０ａと、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する第１レンズアレイ（第１インテグレーターレンズ）１１と、第２レンズアレイ（第２インテグレーターレンズ）１２と、第２レンズアレイ１２からの光を所定の直線偏光に変換させる偏光変換素子１３と、重畳レンズ１４とを備え、画像形成の必要に足る光量の照明光を射出する。なお、光源１０ａは、例えば超高圧水銀ランプであって、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光を含む光を射出する。なお、光源１０ａは、超高圧水銀ランプ以外の放電光源であってもよいし、ＬＥＤやレーザーのような固体光源であってもよい。レンズアレイ１１，１２は、光源１０ａからの光線束を複数に分割・集光させ、偏光変換素子１３は、重畳レンズ１４と協働して、調光系３０を構成する調光ライトバルブの被照明領域上で重畳させるための照明光を形成する。

色分離導光光学系２０は、クロスダイクロイックミラー２１と、ダイクロイックミラー２２と、折曲ミラー２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅと、第１レンズ２４ａ，２４ｂと、第２レンズ２５ｇ，２５ｒ，２５ｂとを備える。ここで、クロスダイクロイックミラー２１は、第１ダイクロイックミラー２１ａと、第２ダイクロイックミラー２１ｂとを備える。第１及び第２ダイクロイックミラー２１ａ，２１ｂは互いに直交しており、それらの交差軸２１ｃはＹ方向に延びている。色分離導光光学系２０は、照明光学系１０からの照明光を緑赤青の３つの色光に分離するとともに各色光を導光する。

変調光学系９０は、分離された３つの色光にそれぞれ対応する複数の光変調装置で構成されている。特に、本実施形態では、変調光学系９０は、相対的に光路上流側に位置する調光系３０と相対的に光路下流側に位置する画像表示系５０と、これらの間に配置されるリレー光学系４０とを有するものとなっている。

変調光学系９０のうち、調光系３０は、色分離導光光学系２０によって分離された３色（赤、緑、青）の色光にそれぞれ対応する３つの調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂを備える。各調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂは、透過型の液晶画素マトリクスを有し、色光の強度をそれぞれ調整する非発光型の光変調部である。具体的には、調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂは、液晶画素マトリクス（第１の画素マトリクス）の本体部分である透過型の液晶パネルと、液晶パネルの光入射側に設けられた入射側偏光板と、液晶パネルの光射出側に設けられた射出側偏光板とをそれぞれ備える。なお、入射側偏光板と射出側偏光板とはクロスニコル配置となっている。以下、各調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂの制御動作について簡単に説明する。まず、プロジェクター制御部８０により入力された画像信号から明るさ制御信号が決定される。次に、決定された明るさ制御信号により図示しない調光用ドライバーが制御される。制御された調光用ドライバーにより調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂが駆動され、３色（赤、緑、青）の色光の強度がそれぞれ調整される。

変調光学系９０のうち、リレー光学系４０は、調光系３０を構成する３つの調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂにそれぞれ対応して、３つの光学系４０ｇ，４０ｒ，４０ｂで構成される。例えば光学系４０ｇは、ダブルガウスレンズ４１ｇと１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇとを有する。なお、詳細については後述するが、１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇは、正のレンズであり、ダブルガウスレンズ４１ｇをそれぞれ光路上において挟むような配置となっており、各メニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇは、ダブルガウスレンズ４１ｇ側にそれぞれ凸であるように配置されている。すなわち、凸面がダブルガウスレンズ４１ｇ側に向かっている。なお、他の光学系４０ｒ，４０ｂについても、同様の構造を有するダブルガウスレンズ４１ｒ，４１ｂと、１対のメニスカスレンズ４２ｒ，４３ｒ，４２ｂ，４３ｂとをそれぞれ有している。

変調光学系９０のうち、画像表示系５０は、リレー光学系４０を経た３色（赤、緑、青）の色光にそれぞれ対応する３つの色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂを備える。各色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂは、透過型の液晶画素マトリクスをそれぞれ有し、入射した照明光である各色光の強度の空間分布を変調する非発光型の光変調部である。具体的には、色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂは、液晶画素マトリクス（第２の画素マトリクス）である液晶パネルと、液晶パネルの光入射側に設けられた入射側偏光板と、液晶パネルの光射出側に設けられた射出側偏光板とをそれぞれ備える。以下、各色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂの制御動作について簡単に説明する。まず、プロジェクター制御部８０が、入力された画像信号から画像ライトバルブ制御信号に変換する。次に、変換された画像ライトバルブ制御信号により図示しないパネルドライバーが制御される。制御されたパネルドライバーにより駆動された３枚の色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂは、３色の色光をそれぞれ変調して、入力された画像情報（画像信号）に応じた画像を形成する。

なお、以上の変調光学系９０は、３つの光変調装置９０ｇ，９０ｒ，９０ｂで構成されているとみることもできる。すなわち、光変調装置９０ｇは、緑色光に対応して配置され、調光ライトバルブ３０ｇと、光学系４０ｇと、色変調ライトバルブ５０ｇとを有する。同様に、光変調装置９０ｒは、赤色光に対応して配置され、調光ライトバルブ３０ｒと、光学系４０ｒと、色変調ライトバルブ５０ｒとを有する。また、光変調装置９０ｂは、青色光に対応して配置され、調光ライトバルブ３０ｂと、光学系４０ｂと、色変調ライトバルブ５０ｂとを有する。このように３つの光変調装置９０ｇ，９０ｒ，９０ｂとして変調光学系９０を見た場合、１つの光変調装置（例えば光変調装置９０ｇ）は、光路に沿って、第１の画素マトリクスに相当する調光ライトバルブ（調光ライトバルブ３０ｇ）、リレー光学系（光学系４０ｇ）、第２の画素マトリクスに相当する色変調ライトバルブ（色変調ライトバルブ５０ｇ）の順で配置されていることになる。すなわち、対応関係にある調光ライトバルブと色変調ライトバルブとは、直列に配置されている。

合成光学系６０は、４つの直角プリズムを貼り合わせたクロスダイクロイックプリズムである。合成光学系６０は、画像表示系５０を構成する色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂで変調された各色の変調光を合成し、投写光学系７０に向けて射出する。

投写光学系７０は、光変調装置である色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂで変調され、さらに合成光学系６０で合成された合成光をスクリーン等の被写体（不図示）に向けて投影する。

以下、画像光の形成の詳細について説明する。まず、照明光学系１０からの照明光としての照明光線束ＩＬが射出される。次に、色分離導光光学系２０において、クロスダイクロイックミラー２１のうち、第１ダイクロイックミラー２１ａは、照明光線束ＩＬに含まれる緑（Ｇ）色及び赤（Ｒ）色を反射し、残りの青（Ｂ）色を透過させる。一方、クロスダイクロイックミラー２１のうち、第２ダイクロイックミラー２１ｂは、青（Ｂ）色を反射し、緑（Ｇ）色及び赤（Ｒ）色を透過させる。ダイクロイックミラー２２は、入射した緑赤（ＧＲ）色のうちの緑（Ｇ）色を反射し、残りの赤（Ｒ）色を透過させる。色分離導光光学系２０によって照明光線束ＩＬから分離される各色光Ｇｐ，Ｒｐ，Ｂｐを、各色の光路ＯＰ１〜ＯＰ３に沿ってより詳細に説明すると、まず、照明光学系１０からの照明光線束ＩＬは、クロスダイクロイックミラー２１に入射し、分離される。照明光線束ＩＬの成分のうち、緑色光Ｇｐ（光路ＯＰ１）は、クロスダイクロイックミラー２１の第１ダイクロイックミラー２１ａで反射・分岐され、折曲ミラー２３ａを経て、ダイクロイックミラー２２でさらに反射されることで分岐され、調光系３０の３つの調光ライトバルブのうち緑色光Ｇｐに対応する調光ライトバルブ３０ｇに入射する。また、照明光線束ＩＬの成分のうち、赤色光Ｒｐ（光路ＯＰ２）は、クロスダイクロイックミラー２１の第１ダイクロイックミラー２１ａで反射・分岐され、折曲ミラー２３ａを経て、ダイクロイックミラー２２を通過することによって分岐され、調光系３０の３つの調光ライトバルブのうち赤色光Ｒｐに対応する調光ライトバルブ３０ｒに入射する。また、照明光線束ＩＬの成分のうち、青色光Ｂｐ（光路ＯＰ３）は、クロスダイクロイックミラー２１の第２ダイクロイックミラー２１ｂで反射・分岐され、折曲ミラー２３ｄを経て、調光系３０の３つの調光ライトバルブのうち青色光Ｂｐに対応する調光ライトバルブ３０ｂに入射する。調光系３０を構成する調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂは、既述のように、プロジェクター制御部８０の制御化で、３色（赤、緑、青）の色光Ｇｐ，Ｒｐ，Ｂｐの強度をそれぞれ調整する。なお、光路ＯＰ１〜ＯＰ３上に配された第１レンズ２４ａ，２４ｂと第２レンズ２５ｇ，２５ｒ，２５ｂとは、対応する調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｂ，３０ｒに入射する色光Ｇｐ，Ｒｐ，Ｂｐの角度状態を調整するためにそれぞれ設けられている。

調光系３０を経て輝度を調整された各色光Ｇｐ，Ｒｐ，Ｂｐは、各色に対応して配置されてリレー光学系４０を構成する光学系４０ｇ，４０ｒ，４０ｂをそれぞれ経て、画像表示系５０を構成する３つの色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂにそれぞれ入射する。すなわち、調光ライトバルブ３０ｇから射出された緑色光Ｇｐは、光学系４０ｇ及び折曲ミラー２３ｂを経て、色変調ライトバルブ５０ｇに入射する。調光ライトバルブ３０ｒから射出された赤色光Ｒｐは、光学系４０ｒ及び折曲ミラー２３ｃを経て、色変調ライトバルブ５０ｒに入射する。調光ライトバルブ３０ｂから射出された青色光Ｂｐは、光学系４０ｂ及び折曲ミラー２３ｅを経て、色変調ライトバルブ５０ｂに入射する。画像表示系５０を構成する色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂは、既述のように、プロジェクター制御部８０の制御化で３色の色光をそれぞれ変調して、各色の画像を形成する。各色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂで変調された各色の変調光は、合成光学系６０において合成され、投写光学系７０によって投影される。

なお、上記の場合、各色光の光路ＯＰ１〜ＯＰ３の長さは、互いに等しい、すなわち等光路長となっている。

以上のように、プロジェクター１００は、各色の光路に沿って、輝度変調素子である調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂ（第１の画素マトリクス）を光路上流側に配置し、色変調素子である色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂ（第２の画素マトリクス）を光路下流側に配置する直列な配置となっている。ここで、対応する第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスと（例えば調光ライトバルブ３０ｇと色変調ライトバルブ５０ｇと）は、略結像関係となるようにする必要がある。しかしながら、各種収差の発生を抑制して、空間変調素子の間での結像状態を高精度に維持し、また、装置を小型にし、かつ、テレセントリック性を良好に保つことは、一般には、必ずしも容易ではない。例えば第１の画素マトリクスから第２の画素マトリクスまでの間に配置するリレー光学系を等倍の光学系とすることで、第１の画素マトリクスの像を第２の画素マトリクスに１対１に対応して重ね合せるように結像させることができ、この場合、各種収差のうち例えばコマ収差やディストーションの発生についてはある程度抑えることができる。しかしながら、等倍の構成においても、像面湾曲や非点収差の発生についてまで十分なものとすることができるとは限らない。また、例えば、空間変調素子の間にダブルガウスレンズを適用することで、装置の大型化は回避しつつ例えば色収差等の精度を上げるようにすることも考えられるが、ダブルガウスレンズを利用しても、各種収差のうち例えば像面湾曲や非点収差の発生を十分に抑制し結像状態を十分に高精度な状態に維持できるとは限らない。これに対して、本実施形態では、調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂで構成される調光系３０と色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂで構成される画像表示系５０との間にリレー光学系４０を設け、このリレー光学系４０を構成する各色の光学系４０ｇ，４０ｒ，４０ｂにおいて、ダブルガウスレンズ４１ｇ，４１ｒ，４１ｂのみならず、内側に凸の１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇ，４２ｒ，４３ｒ，４２ｂ，４３ｂをそれぞれ設けている。これにより、小型で、かつ、テレセントリック性を良好にし、結像状態を高精度に維持して良好な画像を形成することを可能にしている。

図２は、第１の液晶画素マトリクスから第２の液晶画素マトリクスまでの光路の一例（例えば光路ＯＰ１）について展開した図である。なお、ここでは、展開した状態での光の進行方向を＋Ｚ方向をとしてＸＹＺの各方向を示している。また、図２では、色分離により分岐された３つの光路のうちの一の光路（例えば光路ＯＰ１）における変調光学系９０である光変調装置（光路ＯＰ１の場合、光変調装置９０ｇ）を構成する調光系３０（調光ライトバルブ３０ｇ）、リレー光学系４０（光学系４０ｇ）、及び画像表示系５０（色変調ライトバルブ５０ｇ）に関して、特に、リレー光学系４０を構成する光学系４０ｇを中心として、照明光（緑色光Ｇｐ）の結像状態を示すものとなっている。なお、既述のように、本実施形態では、各色光の光路は互いに等光路長となっており、他の光路（例えば光路ＯＰ２，ＯＰ３）についても展開した図は、同様であるので図示及び説明を省略する。

光学系４０ｇは、既述のように、ダブルガウスレンズ４１ｇと、一対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇとを有している。光学系４０ｇの各部について図２を参照してより具体的に説明すると、まず、ダブルガウスレンズ４１ｇは、光路の順に、第１レンズＬＬ１と、第１色消しレンズＡＬ１と、絞りＳＴと、第２色消しレンズＡＬ２と、第２レンズＬＬ２とを有して構成されている。なお、第１色消しレンズＡＬ１及び第２色消しレンズＡＬ２は、２枚のレンズをそれぞれ組み合わせた構成となっている。すなわち、第１色消しレンズＡＬ１は、レンズＡＬ１ａとレンズＡＬ１ｂとを貼り合せて構成され、第２色消しレンズＡＬ２は、レンズＡＬ２ａとレンズＡＬ２ｂとを貼り合せて構成されている。従って、第１色消しレンズＡＬ１及び第２色消しレンズＡＬ２は、表面及び裏面と貼り合せ面との合計３つのレンズ面をそれぞれ有していることになる。

また、一対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇは、正の屈折力を有するレンズであり、同一の形状を有し、ダブルガウスレンズ４１ｇを挟むようにしてダブルガウスレンズ４１ｇを基準に対称に配置されており、特にダブルガウスレンズ４１ｇ側においてそれぞれ凸となるような配置となっている。すなわち、調光ライトバルブ３０ｇの後段に配置される第１メニスカスレンズであるメニスカスレンズ４２ｇは、光路下流側に向かって凸となっており、色変調ライトバルブ５０ｇの前段に配置される第２メニスカスレンズであるメニスカスレンズ４３ｇは、光路上流側に向かって凸となっている。

ここで、ダブルガウスレンズ４１ｇを含む光学系４０ｇは、ダブルガウスレンズ４１ｇの絞りＳＴの位置を基準として、光軸ＡＸに沿って対称な等倍の光学系となっている。すなわち、光学系４０ｇは、絞りＳＴを対称面として対称な配置のレンズ構成となっている。さらに言い換えると、光学系４０ｇは、絞りＳＴを中心にして、光路上流側に配置される光学系と、光路下流側に配置される光学系とが、形状、材質、配置において、同一のものが鏡合せとなっている。

光学系４０ｇのうち、絞りＳＴの光路上流側に配置されるメニスカスレンズ４２ｇは、レンズ面Ｌ１とレンズ面Ｌ２とを有し、第１レンズＬＬ１は、レンズ面Ｌ３とレンズ面Ｌ４とを有し、第１色消しレンズＡＬ１は、レンズ面Ｌ５とレンズ面Ｌ６とレンズ面Ｌ７とを有する。また、光学系４０ｇのうち、絞りＳＴの光路下流側に配置される第２色消しレンズＡＬ２は、レンズ面Ｌ８とレンズ面Ｌ９とレンズ面Ｌ１０とを有し、第２レンズＬＬ２は、レンズ面Ｌ１１とレンズ面Ｌ１２とを有し、メニスカスレンズ４３ｇは、レンズ面Ｌ１３とレンズ面Ｌ１４とを有する。これらのうち、例えば最初の面であるレンズ面Ｌ１と最後の面であるレンズ面Ｌ１４とは、絞りＳＴの位置を基準にして対称である。同様に、レンズ面Ｌ２とレンズ面Ｌ１３とが対応し、レンズ面Ｌ３とレンズ面Ｌ１２とが対応し、以下同様となっている。

図示のように、調光ライトバルブ３０ｇから射出された緑色光Ｇｐは、上記の各レンズ面Ｌ１〜Ｌ１４を経て、色変調ライトバルブ５０ｇにおいて結像される。

ここで、上記のリレー光学系４０（光学系４０ｇ）において、ダブルガウスレンズ４１ｇの焦点距離をｆ_ｄｇとし、１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇのうち、光入射側に配置される第１メニスカスレンズであるメニスカスレンズ４２ｇの焦点距離をｆ_１とし、光射出側に配置される第２メニスカスレンズであるメニスカスレンズ４３ｇの焦点距離をｆ_２としたときに、

を満たすものとなっている。上式を満たす範囲で光学系４０ｇの各レンズが構成されることにより、リレー光学系４０を構成する光学系４０ｇにおいて両側テレセントリックなものとすることが可能になり、一対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇによる収差の補正の効果を十分に得られるものとなっている。なお、以上のことは、リレー光学系４０を構成する他の光学系４０ｒ，４０ｂにおいても同様である。

以上のように、本実施形態に係るプロジェクター１００では、リレー光学系４０（光学系４０ｇ，４０ｒ，４０ｂ）において、ダブルガウスレンズ４１ｇ，４１ｒ，４１ｂと、ダブルガウスレンズ４１ｇ，４１ｒ，４１ｂ側にそれぞれ凸であるように配置された１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇ，４２ｒ，４３ｒ，４２ｂ，４３ｂとを有することにより、調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂから色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂまでの間における収差の発生を十分に抑制し、結像状態を高性能に維持し、延いては画像形成を良好なものとすることができる。また、本実施形態の場合、結像状態を良好に維持するためのリレーにおいてダブルガウスレンズ４１ｇ，４１ｒ，４１ｂに１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇ，４２ｒ，４３ｒ，４２ｂ，４３ｂを加えた比較的簡素な構成とすることで装置の大型化を抑制できる。また、リレー光学系４０を構成する各光学系４０ｇ，４０ｒ，４０ｂにおいて、絞りＳＴの位置を基準として対称性のある構造を有することで、テレセントリック性を維持可能なものとしている。

なお、上記の例では、調光系３０を構成する調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂの解像度と、画像表示系５０を構成する色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂの解像度とは、１対１に対応するものとすることができる。つまり、例えば調光系３０の調光ライトバルブ３０ｇの解像度と、画像表示系５０のうち調光ライトバルブ３０ｇに対応する色変調ライトバルブ５０ｇの解像度とは一致しているものとすることができる。ただし、これに限らず、例えば、色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂの解像度は、調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂの解像度よりはるかに高いものとしてもよい。すなわち、例えば光路上流側に配置される第１の画素マトリクスである調光ライトバルブ３０ｇの１つの画素は、光路下流側に配置される第２の画素マトリクスである色変調ライトバルブ５０ｇの複数の画素に対応しているものとしてもよい。この場合、調光ライトバルブ３０ｇにおいて、色変調ライトバルブ５０ｇにおける複数の画素に相当するエリアごとに輝度を調整し、色変調ライトバルブ５０ｇでは１画素ごとに輝度を調整する構成となる。また、第１の画素マトリクスと第２の画素マトリクスについて、光路上流側と光路下流側との関係を逆転させた構成としてもよい。また、上記の例では、階調数（例えば、２５６階調）についても、調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂと色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂとで同一であるものとするが、階調数を異ならせることもできる。

〔実施例〕
以下、本発明に係るプロジェクターのリレー光学系の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
Ｒ：レンズ面の曲率半径
Ｄ：レンズ面間の距離
Ｎｄ：光学材料のｄ線に対する屈折率
Ｖｄ：光学材料のｄ線に関するアッベ数

（実施例１）
実施例１のリレー光学系を構成する光学面のデータを以下の表１に示す。なお、図１及び図２は、実施例１のレンズを示すものともなっている。また、表１において、「面番号」は、像面側から順に各レンズ面に付した番号である。なお、面番号の後に付したＬＰは、液晶パネルの位置を示し、ＰＰは、偏光板の位置を示し、ＳＴは、絞りの位置を示す。また、数値のＥ以後は１０進数の指数部を意味し、例えば「１．００Ｅ＋１８」とは、１．００×１０^１８を意味する。
〔表１〕
面番号 R D Nd νd
1(LP) 1.00E+18 2.3 1.51680 64.17
2 1.00E+18 3
3(PP) 1.00E+18 0.7 1.51680 64.17
4 1.00E+18 4
5 -2.20E+02 4 1.84666 23.8
6 -52.9245 45
7 35.38369 4.5 1.80440 39.6
8 1.00E+18 0.5
9 14.66884 6.5 1.79952 42.2
10 1.00E+18 1.2 1.76182 26.5
11 9.389741 6.16
12(ST) 1.00E+18 6.16
13 -9.38974 1.2 1.76182 26.5
14 1.00E+18 6.5 1.79952 42.2
15 -14.6688 0.5
16 1.00E+18 4.5 1.80440 39.6
17 -35.3837 45
18 5.29E+01 4 1.84666 23.8
19 2.20E+02 4
20(PP) 1.00E+18 0.7 1.51680 64.17
21 1.00E+18 3
22(LP) 1.00E+18 2.3 1.51680 64.17
23 1.00E+18 0

図３は、本実施例における第２の液晶画素マトリクスである色変調ライトバルブ５０ｇでの収差について示す図である。図３（Ａ）は、図２の場合と同様に、Ｚ方向を光の進行方向とした場合のＹ方向に関する横収差図を示し、図３（Ｂ）は、Ｘ方向に関する横収差図を示している。なお、図３では、各波長帯域の光線のうち、一例として５５０ｎｍのものについて示している。また、図３（Ａ）及び３（Ｂ）において、グラフは下から像高が、０ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、での収差をそれぞれ示している。また、メニスカスレンズの焦点距離が１８２．４ｍｍ、ダブルガウスレンズの焦点距離が９２．７ｍｍであり、上述の式に当てはめると、１．９７となり、上述の式を満たす。

図４は、比較例のプロジェクターのリレー光学系について示す図である。比較例では、リレー光学系（光学系４０ｇ）において、１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇ（図２参照）に代えて、１対の両凸レンズ５４２ｇ，５４３ｇを配置している。

図５は、比較例における第２の液晶画素マトリクスである色変調ライトバルブ５０ｇでの収差について示す図である。図５（Ａ）は、図４の場合と同様にＺ方向を光の進行方向とした場合のＹ方向に関する横収差図を示し、図５（Ｂ）は、Ｘ方向に関する横収差図を示している。なお、図５では、各波長帯域の光線のうち、一例として５５０ｎｍのものについて示している。実施例１と比較すると、実施例１において収差が抑制されていることが分かる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るプロジェクターについて説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態のプロジェクターの変形例であり、特に説明しない部分又は事項は、第１実施形態の場合と同様である。

図６は、第２実施形態に係るプロジェクターを説明する図であり、図７は、第１の液晶画素マトリクスから第２の液晶画素マトリクスまでの光路の一例について展開した図であり、第１実施形態の図２に対応する図である。なお、図６の構成の場合、各色光の光路は、等光路長となる。

図６及び図７に示すように、本実施形態におけるプロジェクター２００は、リレー光学系２４０の構造が、図１等に示す第１実施形態のプロジェクター１００のリレー光学系４０と異なる。具体的には、リレー光学系２４０を構成する各光学系２４０ｇ，２４０ｒ，２４０ｂにおいて、絞りの位置を基準として光軸ＡＸに沿って対称な等倍の光学系となっておらず、１．２倍にする光学系となっている。なお、リレー光学系２４０は、ダブルガウスレンズ４１ｇ，４１ｒ，４１ｂと、ダブルガウスレンズ４１ｇ，４１ｒ，４１ｂ側にそれぞれ凸であるように配置された１対のメニスカスレンズ４２ｇ，４３ｇ，４２ｒ，４３ｒ，４２ｂ，４３ｂとを有する点においては、リレー光学系４０と共通する。例えば、図７において、光学系２４０ｇのうち絞りＳＴの光路上流側に配置される第１レンズＬＬ１及び第１色消しレンズＡＬ１は、絞りＳＴの光路下流側に配置される第２レンズＬＬ２及び第２色消しレンズＡＬ２よりも大きくレンズ面の形状も異なっている。一方、一対のメニスカスレンズ２４２ｇ，２４３ｇは、光路上流側に配置されるメニスカスレンズ２４２ｇが光路下流側に配置されるメニスカスレンズ２４３ｇよりも小さくレンズ面の形状も異なっている。また、各レンズの配置間隔についても対称性を有さず、光路上流側と光路下流側とで対称性を有さず異なるものとなっている。

（実施例２）
実施例２のリレー光学系を構成する光学面のデータを以下の表２に示す。なお、各記号については、実施例１の場合と同様である。また、図６及び図７は、実施例２のレンズを示すものともなっている。
〔表２〕
面番号 R D Nd νd
1(LP) 1.00E+18 2.3 1.51680 64.17
2 1.00E+18 3
3(PP) 1.00E+18 0.7 1.51680 64.17
4 1.00E+18 4
5 -70 4 1.59551 39.2
6 -38.35 45
7 52.75 6 1.83400 37.2
8 -275.2 3.849
9 19.2 8.45 1.78590 44.2
10 -216.5 1.2 1.74077 27.8
11 11.9 12.666
12(ST) 1.00E+18 2.666
13 -12.15 1.2 1.76182 26.5
14 -342.7 8 1.78590 44.2
15 -17.8 5
16 1.00E+18 5 1.83481 42.7
17 -46.4 72.56
18 51.35 4 1.83481 42.7
19 118 4
20(PP) 1.00E+18 0.7 1.51680 64.17
21 1.00E+18 3
22(LP) 1.00E+18 2.3 1.51680 64.17
23 1.00E+18 0

図８は、本実施例における第２の液晶画素マトリクスである色変調ライトバルブ５０ｇでの収差について示す図である。図８（Ａ）は、図７の場合と同様にＺ方向を光の進行方向とした場合のＹ方向に関する横収差図を示し、図８（Ｂ）は、Ｘ方向に関する横収差図を示している。なお、図８では、各波長帯域の光線のうち、一例として５５０ｎｍのものについて示している。また、図８（Ａ）及び８（Ｂ）において、グラフは下から像高が、０ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、１５ｍｍ、での収差をそれぞれ示している。また、入射側メニスカスレンズの焦点距離が１３３．７５ｍｍ、ダブルガウスレンズの焦点距離が９２．７ｍｍ、射出側メニスカスレンズの焦点距離が１０６．８１であり、上述の式に当てはめると、１．９８となり、上述の式を満たす。

〔その他〕
この発明は、上記の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で実施することが可能である。

各調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂや、各色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂは、透過型であるものとしているが、ＴＮ方式やＶＡ方式、ＩＰＳ方式といった種々のタイプの液晶パネルを適用できる。また、透過型に限らず、反射型とすることもできる。ここで、「透過型」とは、液晶パネルが変調光を透過させるタイプであることを意味しており、「反射型」とは、液晶パネルが変調光を反射するタイプであることを意味している。

また、上記では、調光系３０を構成する３つの調光ライトバルブ３０ｇ，３０ｒ，３０ｂと、画像表示系５０を構成する３つの色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂとを有し、合せて６つのライトバルブを用いるものとしているが、これ以外の構成も可能である。例えば調光系３０として１つの調光ライトバルブを色分離導光光学系２０の前段に配置する構成とすることも可能である。また、調光系３０として１つの調光ライトバルブを合成光学系６０の後段に配置する構成とすることも可能である。いずれの場合においても、上述したダブルガウスレンズ及び一対の正のパワーを有するメニスカスレンズを有するリレー光学系を配置することで、結像状態を良好に維持して画像形成を行うことが可能となる。

また、上記では、複数の色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂで形成された各色の画像を合成しているが、複数の色変調ライトバルブすなわち色変調素子に代えて単一の光変調素子（色変調素子）であるカラー又はモノクロの色変調ライトバルブで形成された画像を投写光学系７０で拡大投写することもできる。なお、この場合、調光ライトバルブも単一の光変調素子（輝度変調素子）となり、色変調ライトバルブの前段又は後段に配置できる。

また、上記実施形態では、分離された各色光の光路が等光路長となっているが、等光路でない構成とすることも可能である。

色変調ライトバルブ５０ｇ，５０ｒ，５０ｂに代えて、マイクロミラーを画素とするデジタル・マイクロミラー・デバイス等を、光変調素子として用いることもできる。

１０…照明光学系、１０ａ…光源、１１…レンズアレイ、１２…レンズアレイ、１３…偏光変換素子、１４…重畳レンズ、２０…色分離導光光学系、２１…クロスダイクロイックミラー、２１ａ，２１ｂ…ダイクロイックミラー、２２…ダイクロイックミラー、３０…調光系、３０ｇ，３０ｒ，３０ｂ…調光ライトバルブ、４０…リレー光学系、４０ｇ，４０ｒ，４０ｂ…光学系、４１ｇ，４１ｒ，４１ｂ…ダブルガウスレンズ、４２ｇ，４３ｇ，４２ｒ，４３ｒ，４２ｂ，４３ｂ…メニスカスレンズ、５０…画像表示系、５０ｇ，５０ｒ，５０ｂ…色変調ライトバルブ、６０…合成光学系、７０…投写光学系、８０…プロジェクター制御部、９０…変調光学系、９０ｇ，９０ｒ，９０ｂ…光変調装置、１００…プロジェクター、２００…プロジェクター、２４０…リレー光学系、２４０ｇ，２４０ｒ，２４０ｂ…光学系、２４２ｇ，２４３ｇ…メニスカスレンズ、５４２ｇ，５４３ｇ…両凸レンズ、ＡＸ…光軸、Ｇｐ，Ｒｐ，Ｂｐ…色光、ＩＬ…照明光線束、Ｌ１-Ｌ１４…各レンズ面、ＬＬ１…レンズ、ＬＬ２…レンズ、ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３…光路

Claims

光を射出する照明光学系と、
前記照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、
前記光変調装置で変調された光を投影する投写光学系と、
を備えるプロジェクターであって、
前記光変調装置は、前記照明光学系から射出された光の光路上に直列に配置される第１の画素マトリクス及び第２の画素マトリクスと、前記第１の画素マトリクスと前記第２の画素マトリクスとの間の光路上に配置されるリレー光学系とを含み、
前記リレー光学系は、ダブルガウスレンズと、前記ダブルガウスレンズを光路上に沿って挟むように配置されそれぞれ正のパワーを有する１対のメニスカスレンズとを含み、
前記１対のメニスカスレンズは、前記ダブルガウスレンズ側にそれぞれ凸であり、
前記ダブルガウスレンズと前記1対のメニスカスレンズのいずれかとの間には光路を折り曲げる折曲ミラーを有し、
前記リレー光学系において、前記ダブルガウスレンズの焦点距離をｆ _ｄｇとし、前記１対のメニスカスレンズのうち、前記ダブルガウスレンズの光入射側に配置される第１メニスカスレンズの焦点距離をｆ _１とし、光射出側に配置される第２メニスカスレンズの焦点距離をｆ _２としたときに、

を満たす、プロジェクター。
前記リレー光学系は、前記ダブルガウスレンズにおいて絞りを有し、当該絞りの位置を基準として光軸に沿って対称な等倍の光学系である、請求項１に記載のプロジェクター。
前記第１及び第２の画素マトリクスは、透過型の液晶画素マトリクスである、請求項１及び２のいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記照明光学系により射出された光を波長帯域の異なる複数の色光に分離して導光する色分離導光光学系と、
前記複数の色光に対応して前記第１の画素マトリクス及び前記第２の画素マトリクスと前記リレー光学系とをそれぞれ有する複数の光変調装置を有し、前記色分離導光光学系において分離された前記複数の色光をそれぞれ変調する変調光学系と、
前記変調光学系で変調された各色の変調光を合成し、前記投写光学系に向けて射出する合成光学系と、
をさらに備える、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記色分離導光光学系及び前記変調光学系は、前記色分離導光光学系での光の分離から前記合成光学系での光の合成までの前記複数の色光の光路を等光路長とするように配置される、請求項４に記載のプロジェクター。
前記光変調装置において、前記第１の画素マトリクス及び前記第２の画素マトリクスのうち、光路上流側に配置される前記第１の画素マトリクスの１つの画素は、光路下流側に配置される前記第２の画素マトリクスの複数の画素に対応している、請求項１から５までのいずれか一項に記載のプロジェクター。