JP6978729B2 - プロジェクタ - Google Patents

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Description

本発明は、可視光画像と赤外光画像の双方を表示可能なプロジェクタに関する。
飛行機やヘリコプターの操縦訓練では実際に飛行する訓練だけでなく、さまざまな場面を再現できる訓練用シミュレータシステムによる訓練が有効である。
特にヘリコプター等の夜間飛行において、主操縦士と副操縦士の一方が裸眼で操縦を行い、他方が暗視ゴーグルを装着して操縦を行なう場合がある。このため、訓練用シミュレータシステムとして、スクリーンに可視光画像と赤外光画像とを表示させるシステムが開発されている。特許文献1には、同一の表示装置において可視光画像及び赤外光画像の双方を投影するプロジェクタについて記載されている。
特表2013−524662号公報
しかし、可視光帯域(450nm〜650nm)から赤外光帯域(700nm以上)の全帯域において、プロジェクタの光学部品特性を最適化することは困難であるため、可視光画像と赤外光画像の双方を表示可能なプロジェクタでは、可視光画像のみを表示するプロジェクタと比較し、表示画像の明るさが低下する等の性能低下や、発熱による光学部品の耐久性低下が課題となっていた。
本発明は、可視光画像のみを表示するプロジェクタと比較して表示画像の明るさが低下する等の性能低下や耐久性低下が少なく、可視光画像と赤外光画像の双方を表示可能なプロジェクタを提供することを目的とする。
本発明は、赤色照明光と赤外照明光とが交互に切り換わる第1の照明光を赤色用画像信号と赤外光用画像信号とに基づいてそれぞれ変調して、赤色画像光と赤外画像光とが交互に切り換わる第1の画像光を射出する第1の画像表示素子と、緑色照明光を緑色用画像信号に基づいて変調して緑色画像光を射出する第2の画像表示素子と、青色照明光を青色用画像信号に基づいて変調して青色画像光を射出する第3の画像表示素子と、前記第1の画像光と、前記緑色画像光と、前記青色画像光とを合成する合成部と、前記合成部で合成された画像光を投射する投射部とを備えることを特徴とするプロジェクタを提供する。
本発明によれば、可視光画像のみを表示するプロジェクタと比較して表示画像の明るさが低下する等の性能低下や耐久性低下が少なく、可視光画像と赤外光画像の双方を表示可能なプロジェクタを提供することができる。
実施形態のプロジェクタの一例を示す構成図である。 偏光変換素子の一例を示す構成図である。 反射防止コーティングの特性例を説明するための図である。 画像表示素子を駆動する駆動回路の構成例を示すブロック図である。 信号処理の一例を説明するための図である。
[構成]
図1を用いて、本実施形態のプロジェクタの構成例を説明する。プロジェクタ100は、光源101、光源102、蛍光体103、偏光板105R,105G,105B、画像表示素子106R,106G,106B、偏光板107R,107G,107B、色合成プリズム108、投射レンズ109、ダイクロイックミラー120〜123、反射ミラー130〜132、レンズ140〜148、偏光変換素子150、とを備える。
ダイクロイックミラー120〜123は、分離波長を分離境界として、入射した光を反射と透過によって分離する特性を有する。ダイクロイックミラー120〜123は、ガラス板またはプリズム等の透明材料の所定の領域に例えば誘電体多層膜を形成することにより作製することができる。誘電体多層膜を構成する誘電体の材質及び膜厚に応じて光学特性を設定することができる。
光源101は、例えば青色レーザ素子で構成された青色レーザ光源である。光源101は青色レーザ光を射出する。以下、青色レーザ光を青色照明光と称す。青色照明光はダイクロイックミラー120に照射される。ダイクロイックミラー120は、青色照明光を反射し、黄色照明光を透過させる特性を有する。
光源101から射出された青色照明光は、ダイクロイックミラー120により反射され、更にレンズ140により集光されて蛍光体103に照射される。
蛍光体103は蛍光層と反射面とを有する。蛍光層は、光源101から照射された青色照明光のエネルギ強度に応じた強度の赤色帯域の成分と緑色帯域の成分とを含む黄色照明光を生成する。反射面は、蛍光層を透過した青色照明光と蛍光層により生成された黄色照明光とを反射する。
蛍光体103により生成された蛍光である黄色照明光は、レンズ140を介してダイクロイックミラー120の方向に照射される。黄色照明光はダイクロイックミラー120を透過し、ダイクロイックミラー121に照射される。
蛍光体103で反射した青色照明光は、レンズ140を介してダイクロイックミラー120の方向に照射される。
ダイクロイックミラー120の表面積は、光源101から照射される青色レーザ光の光束よりやや大きい程度の大きさに設定される。一方、蛍光体103により反射された青色照明光は反射時に拡散されているため、レンズ140からダイクロイックミラー120に照射される青色照明光の光束は、ダイクロイックミラー120の面積に対し十分大きく広がっている。すなわち、レンズ140からダイクロイックミラー120に照射される青色照明光は、一部がダイクロイックミラー120により反射されるが、大分部はダイクロイックミラー121に照射される。
光源102は、例えば近赤外LED素子で構成された赤外LED光源である。光源102は赤外LED光を射出する。以下、赤外LED光を赤外照明光と称す。赤外照明光は、レンズ141,142を介してダイクロイックミラー121に照射される。ダイクロイックミラー121は、赤外照明光を反射し、黄色照明光と青色照明光を透過させる特性を有する。
ダイクロイックミラー121を透過した青色照明光と黄色照明光、及びダイクロイックミラー121を反射した赤外照明光は、更に反射ミラー130を反射し、レンズ143に入射する。
レンズ143及び144は例えばフライアイレンズである。反射ミラー130を反射した青色照明光、黄色照明光、及び赤外照明光は、レンズ143及び144によって照明分布が均一化され、偏光変換素子150に入射される。
図2は、偏光変換素子150の構成例を示している。偏光変換素子150は、偏光ビームスプリッタ151と位相差板152とを有する。偏光ビームスプリッタ151は、s偏光及びp偏光のいずれか一方を反射し、他方を透過させる。図2は、偏光ビームスプリッタ151がs偏光を反射し、p偏光を透過させる状態を示している。
位相差板152はs偏光及びp偏光のいずれか一方を他方に変換する。図2は、位相差板152がs偏光をp偏光に変換する状態を示している。位相差板152は例えばλ/2位相差板である。偏光変換素子150によって、各照明光はp偏光に揃えられる。
図1に戻り、偏光変換素子150によって、p偏光に揃えられた各照明光は、レンズ145を介してダイクロイックミラー122に照射される。レンズ145は例えば集光レンズである。
ダイクロイックミラー122は、入射した青色照明光BLと、黄色照明光YL及び赤外照明光IRLとを分離する。ダイクロイックミラー122によって分離された黄色照明光YLと赤外照明光IRLは、反射ミラー131を反射し、ダイクロイックミラー123に入射する。
ダイクロイックミラー123は、赤色光帯域と緑色光帯域の中間の波長を分離境界とし、入射した黄色照明光YLと赤外照明光IRLとを、赤色帯域の成分を含む赤色照明光RL及び赤外照明光IRLと、緑色帯域の成分を含む緑色照明光GLとに分離する。具体的には、ダイクロイックミラー123は、入射した黄色照射光YLの、緑色帯域成分を反射して緑色照明光GLを射出し、入射した黄色照射光YLの、赤色帯域成分を透過して赤色照明光RLを射出する。また、赤外照明光IRLを透過する。
ダイクロイックミラー123によって分離された赤色照明光RL及び赤外照明光IRLは、レンズ146を介して偏光板105Rに照射される。ダイクロイックミラー123によって分離された緑色照明光GLは、レンズ147を介して偏光板105Gに照射される。ダイクロイックミラー122によって分離された青色照明光BLは、反射ミラー132により反射し、レンズ148を介して偏光板105Bに照射される。
偏光板105R、105G、及び、105Bは、s偏光及びp偏光のいずれか一方を反射し、他方を透過させる特性を有する。図1は、偏光板105R、105G、及び、105Bがs偏光を反射し、p偏光を透過させる状態を示している。偏光板105R,105G,105Bを反射型偏光板とも称する。偏光板105R,105G,105Bは、例えばワイヤーグリッド偏光板である。
p偏光である赤色照明光RL及び赤外照明光IRLは、偏光板105Rを透過し画像表示素子106Rに照射される。p偏光である緑色照明光GLは、偏光板105Gを透過し、画像表示素子106Gに照射される。p偏光である青色照明光BLは、偏光板105Bを透過し、画像表示素子106Bに照射される。
画像表示素子10R,10G,10Bは、例えば反射型液晶表示素子である。本実施形態では画像表示素子10,10G,10Bが反射型液晶表示素子である場合を例に説明するが、反射型に限定されず、透過型液晶表示素子を使用する構成としても良い。また、液晶表示素子ではなく、他の表示素子を使用する構成にも種々応用可能である。
画像表示素子106Rは、赤色の成分の画像データに基づいてp偏光の赤色照明光RLを光変調し、s偏光の赤色画像光RMを生成する。また、画像表示素子106Rは、赤外光の成分の画像データに基づいてp偏光の赤外照明光IRLを光変調し、s偏光の赤外画像光IRMを生成する。赤色画像光RMと赤外画像光IRMをまとめて第1の画像光RM/IRMとも称する。
画像表示素子106Gは、緑色の成分の画像データに基づいてp偏光の緑色照明光GLを光変調し、s偏光の緑色画像光GMを生成する。画像表示素子106Bは、青色の成分の画像データに基づいてp偏光の青色照明光BLを光変調し、s偏光の青色画像光BMを生成する。即ち、画像表示素子106Rは赤色画像用光変調素子及び赤外光画像用光変調素子として機能し、画像表示素子106Gは緑色画像用光変調素子として機能し、画像表示素子106Bは青色画像用光変調素子として機能する。
偏光板107R,107G,107Bは、s偏光及びp偏光のいずれか一方を透過し、他方を反射又は吸収する特性を有する。図1では、偏光板107R、107G、及び、107Bがs偏光を透過し、不要なp偏光を吸収する状態を示している。偏光板107R,107G,107Bを透過型偏光板とも称する。
赤外光画像の表示では、高い照度で赤外画像光を照射することが要求される。このため、赤外照明光IRL,又は赤外画像光IRMの光路上の光学部品は、他の色の照明光や画像光の光路上にある光学部品と比較して発熱しやすい。このため、赤外画像光IRMの光路となる偏光板107Rには、耐熱性が高く広帯域で良好な特性を持つワイヤーグリッド偏光板を用いる。これにより、一般的な樹脂性偏光板を用いた場合と比較して、信頼性や性能を改善することができる。一方、ワイヤーグリッド偏光板は一般的な樹脂製偏光板と比較して価格が高いので、赤外画像光IRMの光路上にない偏光板107G,107Bについては一般的な樹脂性偏光板を用いれば良い。
画像表示素子106Rによって生成された、s偏光である赤色画像光RM及び赤外画像光IRMは、偏光板105Rを反射し、偏光板107Rを透過して、色合成プリズム108に照射される。画像表示素子106Gによって生成された、s偏光である緑色画像光GMは、偏光板105Gを反射し、偏光板107Gを透過して、色合成プリズム108に照射される。画像表示素子106Bによって生成された、s偏光である青色画像光BMは、偏光板105Bを反射し、偏光板107Bを透過して、色合成プリズム108に照射される。
色合成プリズム108は、赤色画像光RM、赤外画像光IRM、及び青色画像光BMを反射し、緑色画像光GMを透過させ、それぞれの画像光を投射レンズ109に照射する。
赤色画像光RM、赤外画像光IRM、緑色画像光GM、及び、青色画像光BMは、投射レンズ109を介して図示しないスクリーン等へ投射される。赤色画像光RMと、緑色画像光GMと、青色画像光BMにより可視光画像が表示される。赤外画像光IRMにより赤外光画像が表示される。
照明光や画像光の光路上の光学部品には、適正な反射防止コーティングを行なうことで光学部品の効率を大幅に改善することができる。反射防止コーティングは、使用する波長帯域に合わせてコーティング部品やコーティングの膜層数等が設計される。一般的に、反射防止コーティングの適応する波長帯域を広帯域化するほどコーティングの膜層数が増えてコストが増加する。また、反射防止コーティングの適応する波長帯域を広帯域化するほど、設計シミュレーション値と実物との特性の乖離が大きくなるため波長帯域は狭い方が望ましい。
反射防止コーティングの特性例を図3に示す。図3の横軸は反射防止コーティングを施した光学部品に入射する光の波長を示し、縦軸は入射した光の透過率を示す。図3のAは広帯域用コーティングの特性例を示す。広帯域用コーティングでは、可視光から赤外光を含む、450nm〜800nmの広い波長帯域で良好な特性を有する。可視光全光と赤外光を含んだ全光の光路上にある光学部品には広帯域コーティングを行なう。図1に示す、ダイクロイックミラー121からダイクロイックミラー122までの光路上にある光学部品が広帯域コーティングの対象となる。
Bは短波長用コーティングの特性を示す。短波長用コーティングでは、短波長帯域(450nm〜650nm)で良好な特性を有するが、650nm以上の波長では徐々に特性が落ちている。赤外光の光路上にない光学部品には、短波長用コーティングを行なう。図1に示す、レンズ140、ダイクロイックミラー120、反射ミラー132から偏光板107Bまでの光路上の光学部品、レンズ147から偏光板107までの光路上の光学部品が短波長用コーティングの対象となる。
Cは長波長用コーティングの特性を示す。長波長用コーティングでは、長波長帯域(500nm〜800nm)で良好な特性を有するが、500nm以下の波長帯域では徐々に特性が落ちている。赤色光と赤外光のみの光路上にある光学部品には長波長用コーティングを行なう。図1に示す、レンズ141,142及びレンズ146から偏光版107Rまでの光路上にある光学部品が長波長コーティングの対象となる。
以上のように、処理する光の波長帯域に応じた反射防止コーティングを行なうことで、コストを掛けすぎることなく良好な特性を得ることができる。
[信号処理]
図4、図5を用いて本実施形態のプロジェクタにおける信号処理の一例を説明する。図4は画像表示素子106R,106G,106Bを駆動する駆動回路200の構成例を示すブロック図である。駆動回路200は、信号合成部10、信号処理部11、画素回路13、光源制御部14を備える。
信号合成部10は、入力された可視光画像用画像信号VISと赤外光画像用画像信号IRSとを合成して、フレームシーケンシャル信号FSSを生成する。図5のS1は可視光画像用画像信号VISを示し、S2は赤外光画像用画像信号IRSを示す。S1,S2は一例として、可視光画像用画像信号VISと赤外光画像用画像信号IRSのフレームレートがともに60Hzの場合を示している。可視光画像用画像信号VISと赤外画像用画像信号IRSは、それぞれ表示速度が2倍に変換され、交互に並べ替えられて、S3に示すように、フレームレート120Hzのフレームシーケンシャル信号FSSに変換される。
図5に示す例では、信号処理部11に入力される可視光画像用画像信号VISと赤外光画像用画像信号IRSが60Hzで入力される様子を示したが、60Hzに限定されず他の周波数(例えば50Hzや24Hzなど)でもよい。また信号処理回路101は映像信号を2倍の周波数の信号に変換するが、周波数の変換は2倍に限定されず、これ以上でもよい。また、1倍(等倍)でもよい。
図4に戻り、信号処理部11は、フレームシーケンシャル信号FSSに基づき、各画素の階調を決定し、決定した階調データを画素回路13に送る。画素回路13は受け取った階調データに基づき、画像表示素子106R,106G,106Bを駆動する。
また、信号処理部11は、フレームシーケンシャル信号FSSと同期した光源制御信号を生成し、光源制御部14に送る。光源制御部14は、光源制御信号に基づき、光源101と光源102のオンオフをそれぞれ切り換える。図5のS4は光源101のオンオフ状態を示し、S5は光源102のオンオフ状態を示す。光源101と光源102とは、可視光画像用画像信号VISと赤外光画像用画像信号IRSの期間に対応して交互にオンオフするように制御される。
画像表示素子106Rは,赤色照明光RLと赤外照明光IRLとを交互に光変調して、赤色画像光RMと赤外画像光IRMとを生成する。画像表示素子106Gは、緑色照明光GLを光変調して緑色画像光GMを生成する。画像表示素子106Bは、青色照明光BLを光変調して青色画像光BMを生成する。
図1で説明したように、赤色画像光RM,緑色画像光GM,青色画像光BMが色合成プリズム108で合成され、投射レンズ109によって図示しないスクリーン等へ投射されることで可視光画像が表示される。赤外光画像光IRMが色合成プリズム108を介し、投射レンズ109によって図示しないスクリーン等へ投射されることで赤外光画像が表示される。従って、スクリーンには、可視光画像と赤外光画像とが交互に表示される。
画素表示素子の駆動方法は、画素の駆動電圧値を制御するアナログ方式でも良いし、フレームを複数のサブフレームに分割して、印加電圧をオンとするサブフレームとオフとするサブフレームを組み合わせて階調表示を行なうデジタル方式でも良い。
以上説明したように、プロジェクタ100は、赤色照明光及び赤外照明光と、緑色照明光と、青色照明光の光路を分ける構成としたことで、各々の光路上にある光学部品の熱負担を軽減させることができる。また、赤色照明光及び赤外照明光と、緑色照明光と、青色照明光の光路を分けることで、各々の光路上にある光学部品の特性を最適化することができる。このため、可視光画像のみを表示するプロジェクタと比較して表示画像の明るさが低下する等の性能低下や耐久性低下が少なく、可視光画像と赤外光画像の双方を表示可能なプロジェクタを提供することができる。
また、特に発熱しやすい赤外光の光路上にある光学部品に耐熱性の高い部品を使用することで、発熱による光学部品の耐久性低下を抑制することができる。また、3板式の可視光用プロジェクタをベースとして構成し、赤色光用光路を使って赤外光を処理する構成であるので、従来の3板式可視光用プロジェクタの光学系を大きく変更する事なく、可視光画像と赤外光画像の双方を表示することができる。
本実施形態では、青色レーザ光源である光源101と蛍光体103を使って黄色照明光YLと青色照明光BLを生成し、更に赤外LED光源である光源102から射出した赤外照明光IRLを合成する構成を説明したが、この構成に限定されない。例えば、光源101,光源102にはレーザ光源や、LED光源や、ランプ光源を適宜選択して使用しても良い。
なお。本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
10 信号合成部、11 信号処理部、13 画素回路、14 光源制御部、
100 プロジェクタ、101,102 光源、
103 蛍光体、105R,105G,105B 偏光板、
106R,106G,106B 画像表示素子、
107R,107G,107B 偏光板、108 色合成プリズム、
109投射レンズ、120〜123 ダイクロイックミラー、
130〜132 反射ミラー、140〜148 レンズ、150 偏光変換素子

Claims (5)

  1. 赤色照明光と赤外照明光とが交互に切り換わる第1の照明光を赤色用画像信号と赤外光用画像信号とに基づいてそれぞれ変調して、赤色画像光と赤外画像光とが交互に切り換わる第1の画像光を射出する第1の画像表示素子と、
    オンとオフが切り替わる緑色照明光を緑色用画像信号に基づいて変調して緑色画像光を射出する第2の画像表示素子と、
    オンとオフが切り替わる青色照明光を青色用画像信号に基づいて変調して青色画像光を射出する第3の画像表示素子と、
    前記第1の画像光と、前記緑色画像光と、前記青色画像光とを合成する合成部と、
    前記合成部で合成された画像光を投射する投射部と
    を備え
    前記緑色照明光及び前記青色照明光は前記赤色照明光がオフとなる期間はオフにな
    ことを特徴とするプロジェクタ。
  2. 前記第1の画像光、前記緑色画像光、及び前記青色画像光のそれぞれの光路上に、それぞれの画像光の第1の偏光を透過させて、第2の偏光を吸収又は反射する透過型偏光板を更に備え、
    前記第1の画像光の光路上にある前記透過型偏光板は、前記緑色画像光、又は前記青色画像光の光路上にある前記透過型偏光板に対し、耐熱性が高い
    ことを特徴とする請求項1に記載のプロジェクタ。
  3. 前記第1の画像光の光路上にある前記透過型偏光板は、ワイヤーグリッド偏光板であり、
    前記緑色画像光、又は前記青色画像光の光路上にある前記透過型偏光板は、樹脂製の偏光板である
    ことを特徴とする請求項2に記載のプロジェクタ。
  4. 前記第1の照明光、前記第1の画像光、前記緑色照明光、前記緑色画像光、前記青色照明光、前記青色画像光のそれぞれの光路上にある光学部品には反射防止コーティングを施し、
    前記第1の照明光、又は前記第1の画像光の光路上にある光学部品に施す反射防止コーティングと、前記第1の照明光、又は前記第1の画像光の光路上にない光学部品に施す反射防止コーティングとでは、対応波長帯域が異なる
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプロジェクタ。
  5. 青色照明光を射出する青色光光源と、
    赤外照明光を射出する赤外光光源と、
    前記青色照明光の一部を黄色照明光に変換し、一部を青色照明光として反射する蛍光体と
    前記青色照明光を反射し前記黄色照明光を透過する第1のダイクロイックミラーと、
    前記青色照明光と前記黄色照明光とを透過し前記赤外照明光を反射することで前記青色照明光と前記黄色照明光と前記赤外照明光とを合成する第2のダイクロイックミラーと、
    前記第2のダイクロイックミラーで合成した前記青色照明光と前記黄色照明光と前記赤外照明光とを、前記青色照明光と前記黄色照明光及び前記赤外照明光とに分離する第3のダイクロイックミラーと、
    前記黄色照明光及び前記赤外照明光を、赤色照明光及び前記赤外照明光と緑色照明光とに分離する第4のダイクロイックミラーと
    を更に備える
    とを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のプロジェクタ。
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