(57)【要約】【課題】簡易な構成で可視光と赤外光を切り替えて投射することを可能にした画像投射装置を提供すること。【解決手段】光変調素子を有する画像投射装置であって、光源からの光束を分離する光分離素子と、光分離素子からの光を光変調素子に導く照明光学系と、光変調素子からの光束を投射する投射光学系と、を備え、可視光を投射する場合は、前記光分離素子は、可視光を照明光学系に導き、赤外光を投射する場合は、前記光分離素子は、赤外光を照明光学系に導き、可視光を照明光学系外に導くことを特徴とする。【選択図】図１
2020020823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調素子を有する画像投射装置であって、光源からの光束を分離する光分離素子と、光分離素子からの光を光変調素子に導く照明光学系と、光変調素子からの光束を投射する投射光学系と、を備え、前記光分離素子は可動する機構を有し、可視光を投射する場合は、可視光を照明光学系に導き、赤外光を投射する場合は、赤外光を照明光学系に導き、可視光を照明光学系外に導くことを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
前記光分離素子は、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域の透過率が２５％以上かつ７５％以下の特性を有する可視光反射ミラーと、前記可視光反射ミラーの方向に赤外光を反射させる赤外光反射ミラーから構成されることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項３】
前記可視光反射ミラーを回転させることで、可視光の投射と赤外光の投射を切り替えることを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
【請求項４】
前記光分離素子は、可視帯域を８５％以上反射させ、赤外帯域のＰ偏光を７５％以上透過させ、赤外帯域のＳ偏光を７５％以上反射させる赤外光偏光ビームスプリッタと、赤外光用のλ／４板と、前記赤外光偏光ビームスプリッタの方向に赤外光を反射させる赤外光反射ミラーから構成されることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記赤外光偏光ビームスプリッタを回転させることで、可視光の投射と赤外光の投射を切り替えることを特徴とする請求項４に記載の画像投射装置。
【請求項６】
赤外光の投射時に照明光学系に可視光を除去する可視フィルターを入れることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の画像投射装置。
【請求項７】
可視帯域は４３０ｎｍから６７０ｎｍの波長帯域、赤外帯域は７００ｎｍから９００ｎｍの波長帯域であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の画像投射装置。
【請求項８】
可視光を青光、緑光、赤光に分離して、其々の色光に対応した光変調素子に導く色分離光学系を有する画像投射装置であって、前記色分離光学系は、赤外光を赤光用の光変調素子に導くことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投射装置に関し、特に照明光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像投射装置で赤外光の画像を投射する場合、可視光を発光する光源とは別に赤外光を発光する光源を照明光学系に配置する方法があり、特許文献１に開示されている。また、一般的な画像投射装置の光源として使われている高圧水銀ランプは、赤外光も発光しており、高圧水銀ランプから発光される赤外光を利用した方法が、特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４００１７号公報
【特許文献２】特開２００８−１７６１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、可視光用の光源と別に赤外光用の光源を設ける必要があり、画像投射装置が大型化してしまう。
【０００５】
特許文献２に開示された従来技術では、赤外光用の画像変調素子を設ける必要があるため、画像投射装置が大型化してしまう。また、赤外光の投射時も可視光が投射されてしまうため、本来肉眼では見えていけない画像が見えるため、赤外光用のゴーグルを使用したシミュレーションで問題になる。また、可視光画像に赤外光の映像を重ねた場合、可視光が漏れていると可視光画像に影響を与え画質劣化が生じる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、簡易な構成で可視光と赤外光を切り替えて投射することを可能にした画像投射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明に係る画像投射装置は、
光変調素子を有する画像投射装置であって、光源からの光束を分離する光分離素子と、光分離素子からの光を光変調素子に導く照明光学系と、光変調素子からの光束を投射する投射光学系と、を備え、可視光を投射する場合は、前記光分離素子は、可視光を照明光学系に導き、赤外光を投射する場合は、前記光分離素子は、赤外光を照明光学系に導き、可視光を照明光学系外に導くことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡易な構成で可視光と赤外光を切り替えて投射することを可能にした画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１における可視光投射時の光学系の断面図
【図２】実施例１における赤外光投射時の光学系の断面図
【図３】実施例２における可視光投射時の光学系の断面図
【図４】実施例２における赤外光投射時の光学系の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の実施例１である画像投射装置としての液晶プロジェクタの光学系全体の構成を示している。
【００１２】
液晶プロジェクタの光学系は、液晶パネル１０と、光源ユニット１２と、光源ユニット１２からの光を液晶パネル１０に照明する照明光学系と、投射光学系１１とにより構成させる。光源ユニット１２は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等の光源１と、該光源１からの光を反射するリフレクタ２とを有する。なお、光源ユニット１２として、ＬＥＤやレーザを用いてもよい。また、蛍光光を利用するレーザと蛍光体の構成でもあってもよい。
【００１３】
照明光学系は、可視光反射ミラー３、赤外光反射ミラー４、第１のフライアイレンズ５と、第２のフライアイレンズ６と、偏光変換素子７と、コンデンサーレンズ８と、偏光ビームスプリッタ９により構成される。本実施例の光分離素子は、可視光反射ミラー３と赤外光反射ミラー４により構成される。可視光反射ミラー３は、可視帯域を反射して、赤外帯域を透過かつ反射する特性を有するミラーである。赤外光反射ミラー４は、赤外帯域を反射させるミラーであり、可視帯域は透過させても反射させても良い。
【００１４】
本実施例での可視帯域は４３０ｎｍから６７０ｎｍ、赤外帯域は７００ｎｍから９００ｎｍの波長帯域を表している。
【００１５】
可視光反射ミラー３を光軸中心で回転させる機構を有しており、図１は可視光投射時を表している。図２は赤外光投射時を表している。
【００１６】
可視光投射時の光学的な作用について、図１を用いて説明する。
【００１７】
光源ユニット１２からの光束は、可視光反射ミラー３で可視光と一部の赤外光が反射され、第１のフライアイレンズ５に入射する。
【００１８】
第１のフライアイレンズ５に入射した光束は、複数の光束に分割されるとともに集光される。分割された複数の光束は、第２のフライアイレンズ６を通過して複数の光源像を形成する。光源像が形成される位置の近傍には、偏光変換素子７が設けられている。
【００１９】
偏光変換素子７に入射した無偏光光としての複数の光束は、偏光変換素子７によって所定の偏光方向を有する偏光光（ここではＳ偏光とする）に変換されて、コンデンサーレンズ８に入射する。
【００２０】
コンデンサーレンズ８に入射した複数の光束は、偏光ビームスプリッタ９を反射して、互いに重畳されるように液晶パネル１０に向けて集光される。
【００２１】
液晶パネル１０で変調された光は、偏光ビームスプリッタ９を透過して、投射光学系１１を介して、不図示のスクリーンに投影される。
【００２２】
可視光反射ミラー３を透過した赤外光は、赤外反射ミラー４で反射され、可視光反射ミラー３に再入射する。再入射した赤外光の一部は、可視光反射ミラー３で反射され、光学系外に導かれる。再入射した赤外光で可視反射ミラー３を透過した光束は、ランプユニット１２に戻る。
【００２３】
次に、赤外光投射時の光学的な作用について、図２を用いて説明する。
【００２４】
光源ユニット１２からの可視光反射ミラー３を透過した赤外光は、赤外光反射ミラー４で反射され、可視光反射ミラー３に再入射する。
【００２５】
可視光反射ミラー３に再入射した赤外光の一部は、可視光反射ミラー３で反射され、第１のフライアイレンズ５に入射する。第１のフライアイレンズ５以降の光学的な作用は、可視光投射時の可視光の光学的な作用と同じである。
【００２６】
光源ユニット１２からの可視光反射ミラー３で反射した可視光および赤外光の一部は、光学系外に導かれる。
【００２７】
従って、赤外光投射時は、エネルギーの高い可視光をランプに戻すことなく赤外光を投射することが可能である。また、可視光が投射されないため、可視光画像と重ねた場合でも可視光画像に影響を与えない。
【００２８】
本実施例では、液晶パネル１０を１枚のみ示しているが、実際の一般的なプロジェクタでは、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した３つの液晶パネルが設けられる。偏光ビームスプリッタまたは偏光板は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの各色照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。
【００２９】
以下、更に望ましい構成について説明する。
【００３０】
前記色分解合成系を構成する光学系においては、赤外光投射時の赤外光をＲの液晶パネルに導くことが望ましい。波長帯域が近いため、位相差を有する波長板や反射防止膜などの波長依存性のある光学素子の設計を容易にすることが可能である。
【００３１】
赤外光投射時には、照明光学系の光路中に可視光を反射する可視反射フィルターを挿入することが望ましい。可視光反射ミラー３で、可視光を１００％反射することは膜設計上困難であり、赤外光投射時に一部の可視光が混入してしまうため、赤外光反射ミラー４は、可視光に対して９０％以上を透過または吸収する特性を有することが望ましい。可視光反射ミラー３で、可視光を１００％反射することは膜設計上困難であり、赤外光投射時に一部の可視光が混入してしまうため、可視光反射ミラー３は、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域の透過率が２５％以上かつ７５％以下の特性を有する素子であることが望ましい。
【００３２】
可視帯域の反射率が８５％未満なら、可視光投射時の照度が非常に暗くなる。本実施例の構成では、赤外帯域の透過率と赤外帯域の反射率の積で赤外光の光量が決まる。一般的なミラーの場合は、光の吸収率が低いため、赤外帯域の反射率は、１から赤外帯域の透過率を引いた値にほぼ等しくなる。従って、赤外帯域の透過率が低すぎても高すぎても光量が減ってしまう。
【００３３】
更に望ましくは、可視帯域の反射率が９２％以上、赤外帯域の透過率が３５％以上かつ６５％以下の特性を有する素子であることが望ましい。
【００３４】
リフレクタ２の反射面に可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーが使われることが一般的であるが、赤外光の光量を向上させるためには可視光と赤外光を反射するミラーまたはコートを蒸着することが望ましい。
【００３５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【実施例２】
【００３６】
図３には、本発明の実施例２である画像投射装置としての液晶プロジェクタの光学系全体の構成を示している。
【００３７】
液晶プロジェクタの光学系は、液晶パネル３０と、光源ユニット３２と、光源ユニット３２からの光を液晶パネル３０に照明する照明光学系と、投射光学系３１とにより構成させる。光源ユニッ３２は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等の光源２１と、該光源２１からの光を反射するリフレクタ２２とを有する。なお、光源ユニット３２として、ＬＥＤやレーザを用いてもよい。また、蛍光光を利用するレーザと蛍光体の構成でもあってもよい。
【００３８】
照明光学系は、主光線が該照明光学系の光軸に対して平行であるテレセントリック光学系である。照明光学系は、赤外偏光ビームスプリッタ２３、赤外光用のλ／４板３３、赤外光反射ミラー２４、第１のフライアイレンズ２５と、第２のフライアイレンズ２６と、偏光変換素子２７と、コンデンサーレンズ２８と、偏光ビームスプリッタ２９により構成される。本実施例の光分離素子は、赤外偏光ビームスプリッタ２３と赤外光反射ミラー２４、赤外光用のλ／４板３３により構成される。
【００３９】
赤外偏光ビームスプリッタ２３は、可視帯域を反射し、赤外帯域のＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する特性を有する。赤外光用のλ／４板３３は、赤外帯域に対して最適化されたλ／４板である。
【００４０】
本実施例での可視帯域は４３０ｎｍから６７０ｎｍ、赤外帯域は７００ｎｍから９００ｎｍの波長帯域を表している。
【００４１】
赤外偏光ビームスプリッタ２３を光軸中心で回転させる機構を有しており、図３は可視光投射時を表している。図４は赤外光投射時を表している。
【００４２】
可視光投射時の光学的な作用について、図３を用いて説明する。
【００４３】
光源ユニット３２からの光束は、赤外偏光ビームスプリッタ２３で可視光とＳ偏光の赤外光が反射され、第１のフライアイレンズ２５に入射する。第１のフライアイレンズ２５以降の光学系の作用は実施例１と同様である。
【００４４】
次に、赤外光投射時の光学的な作用について、図４を用いて説明する。
【００４５】
光源ユニット３２からの赤外偏光ビームスプリッタ２３を透過したＰ偏光の赤外光は、赤外光用のλ／４板３３を通過し、赤外光反射ミラー４で反射され、再度赤外光用のλ／４板３３を通過し、Ｓ偏光の赤外光になる。
【００４６】
Ｓ偏光になった赤外光は、赤外偏光ビームスプリッタ２３で反射され、第１のフライアイレンズ２５に入射する。第１のフライアイレンズ２５以降の光学的な作用は、可視光投射時の可視光の光学的な作用と同じである。
【００４７】
光源ユニット３２からの赤外偏光ビームスプリッタ２３で反射した可視光および赤外光のＳ偏光は、光学系外に導かれる。
【００４８】
本実施例では、液晶パネル３０を１枚のみ示しているが、実際の一般的なプロジェクタでは、Ｒ，Ｇ，Ｂに対応した３つの液晶パネルが設けられる。偏光ビームスプリッタまたは偏光板は、これら３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの各色照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。
【００４９】
以下、更に望ましい構成について説明する。
【００５０】
前記色分解合成系を構成する光学系においては、赤外光投射時の赤外光をＲの液晶パネルに導くことが望ましい。波長帯域が近いため、位相差を有する波長板や反射防止膜などの波長依存性のある光学素子の設計を容易にすることが可能である。
【００５１】
赤外光投射時には、照明光学系の光路中に可視光をカットする可視カットフィルターを挿入することが望ましい。赤外偏光ビームスプリッタ２３で、可視光を１００％反射することは膜設計上困難であり、赤外光投射時に一部の可視光が混入してしまうため、赤外光反射ミラー４は、赤外光に対して反射の特性を有する光学素子であるが、可視光に対して９０％以上を透過または吸収する特性を有することが望ましい。赤外偏光ビームスプリッタ２３で、可視光を１００％反射することは膜設計上困難であり、赤外光投射時に一部の可視光が混入してしまうため、赤外偏光ビームスプリッタ２３は、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域のＰ偏光透過率が７５％以上、赤外帯域のＳ偏光反射率が７５％以上の特性を有する素子であることが望ましい。更に望ましくは、可視帯域の反射率が９２％以上、赤外帯域のＰ偏光透過率が８５％以上、赤外帯域のＳ偏光反射率が８５％以上の特性を有する素子であることが望ましい。
【００５２】
リフレクタ２の反射面に可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーが使われることが一般的であるが、赤外光の光量を向上させるためには可視光と赤外光を反射するミラーまたはコートを蒸着することが望ましい。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１  光源、２  リフレクタ、３  可視光反射ミラー、４  赤外光反射ミラー、
５  第１のフライアイレンズ、６  第２のフライアイレンズ、７  偏光変換素子、
８  コンデンサーレンズ、９  偏光ビームスプリッタ、１０  液晶パネル、
１１  投射光学系、１２  光源ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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