(57)【要約】【課題】投射、撮像の２つの機能を実現できるプロジェクターを提供する。【解決手段】本発明の光学モジュールは、プリズムと、プリズムの内部に設けられた第１光分離膜と、を有し、プリズムが、画像光を入射させる第１面と、撮像光を射出させる第２面と、画像光を射出させ、撮像光を入射させる第３面と、を有する光分離素子と、第１面に対向して設けられ、画像情報に応じて変調した可視光からなる画像光を第１面に向けて射出する光変調素子と、第２面に対向して設けられ、第２面から射出された撮像光を受光する撮像素子と、を備える。第１光分離膜は、画像光の少なくとも一部を透過させ、撮像光の少なくとも一部を反射させる特性、もしくは、画像光の少なくとも一部を反射させ、撮像光の少なくとも一部を透過させる特性を有する。【選択図】図２
2020098224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリズムと、前記プリズムの内部に設けられた第１光分離膜と、を有し、前記プリズムが、画像光を入射させる第１面と、撮像光を射出させる第２面と、前記画像光を射出させ、前記撮像光を入射させる第３面と、を有する光分離素子と、
前記第１面に対向して設けられ、画像情報に応じて変調した可視光からなる前記画像光を前記第１面に向けて射出する光変調素子と、
前記第２面に対向して設けられ、前記第２面から射出された前記撮像光を受光する撮像素子と、
を備え、
前記第１光分離膜は、前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記撮像光の少なくとも一部を反射させる特性、もしくは、前記画像光の少なくとも一部を反射させ、前記撮像光の少なくとも一部を透過させる特性を有する、光学モジュール。
【請求項２】
前記第１光分離膜は、入射した光の波長帯および偏光状態に依らず、入射した光の一部を反射し、他の一部を透過するハーフミラーから構成されている、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項３】
前記画像光は、所定の偏光方向を有する第１直線偏光を含み、
前記撮像光は、前記第１直線偏光の偏光方向と異なる偏光方向を有する第２直線偏光を含み、
前記第１光分離膜は、前記第１直線偏光を透過させ、前記第２直線偏光を反射させる特性、もしくは前記第１直線偏光を反射させ、前記第２直線偏光を透過させる特性を有する偏光分離膜から構成されている、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項４】
前記第３面に対向して設けられた偏光解消板をさらに備えた、請求項３に記載の光学モジュール。
【請求項５】
前記プリズムの第４面に対向して設けられ、非可視光を前記第４面に向けて射出する非可視光射出部をさらに備え、
前記光分離素子は、前記プリズムの内部に前記第１光分離膜と交差して設けられた第２光分離膜をさらに備え、
前記画像光は、所定の偏光方向を有する第１直線偏光を含み、
前記撮像光は、前記第１直線偏光の偏光方向と異なる偏光方向を有する第２直線偏光を含み、
前記第１光分離膜は、可視光帯域の前記第２直線偏光を反射させ、非可視光帯域の前記第２直線偏光を透過させ、可視光帯域および非可視光帯域の前記第１直線偏光を透過させる特性を有する波長分離膜から構成され、
前記第２光分離膜は、可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を透過させ、非可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を反射させる特性を有する波長分離膜から構成されている、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項６】
前記プリズムの第４面に対向して設けられ、非可視光を前記第４面に向けて射出する非可視光射出部をさらに備え、
前記光分離素子は、前記プリズムの内部に前記第１光分離膜と交差して設けられた第２光分離膜をさらに備え、
前記画像光は、所定の偏光方向を有する第１直線偏光を含み、
前記撮像光は、前記第１直線偏光を含み、
前記非可視光は、前記第１直線偏光の偏光方向と異なる偏光方向を有する第２直線偏光を含み、
前記第１光分離膜は、可視光帯域の前記第１直線偏光を透過させ、非可視光帯域の前記第１直線偏光を反射させ、可視光帯域および非可視光帯域の前記第１直線偏光を透過させる特性を有する波長分離膜から構成され、
前記第２光分離膜は、可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を反射させ、非可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を透過させる特性を有する波長分離膜から構成されている、請求項１に記載の光学モジュール。
【請求項７】
前記光変調素子は、前記可視光として、互いに波長帯が異なる複数の色光を射出する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の光学モジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の光学モジュールと、
前記光変調素子に向けて光を射出する光源装置と、
前記光学モジュールから射出された前記画像光を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、
前記投射光学系を介して前記被投射面からの光を前記撮像素子に入射させることにより、前記撮像素子が前記被投射面上の被写体を撮像する、プロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学モジュールおよびプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、保安警備、商業、医療等の各種分野において、撮像機能を備え、撮像した画像に加えて他の情報を重ね合わせて投射する機能を有するプロジェクターが利用されている。また、プロジェクターから投射される画像等によるメッセージに対して、使用者が指やペン等の指示体を用いて指示情報を入力し、各種操作を進める機能、いわゆるインタラクティブ機能を備えたプロジェクターが利用されている。この種のプロジェクターにおいては、投射光学系を介して被投射面の様子を撮像する手段を備える必要がある。
【０００３】
上記の撮像手段を備えたプロジェクターの一例として、下記の特許文献１には、光源と、光変調素子と、投射光学系と、ＴＩＲプリズムと、撮像素子と、を備えたプロジェクターが開示されている。このプロジェクターにおいて、スクリーンに照射された発光素子からの光は、投射光学系を介してＴＩＲプリズムの反射面で反射され、撮像素子上で結像する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２１８２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のプロジェクターにおいては、使用者が赤外光を発する発光素子を備えたポインティングデバイスを用いて投射画像上の特定の位置を指し示すことによって、スクリーンで反射した赤外光が撮像素子に受光され、投射画像上の特定の位置が検出される。このように、位置検出のために赤外光を射出するポインティングデバイスが必要であり、プロジェクター単独では位置検出ができない、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の光学モジュールは、プリズムと、前記プリズムの内部に設けられた第１光分離膜と、を有し、前記プリズムが、画像光を入射させる第１面と、撮像光を射出させる第２面と、前記画像光を射出させ、前記撮像光を入射させる第３面と、を有する光分離素子と、前記第１面に対向して設けられ、画像情報に応じて変調した可視光からなる前記画像光を前記第１面に向けて射出する光変調素子と、前記第２面に対向して設けられ、前記第２面から射出された前記撮像光を受光する撮像素子と、を備える。前記第１光分離膜は、前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記撮像光の少なくとも一部を反射させる特性、もしくは、前記画像光の少なくとも一部を反射させ、前記撮像光の少なくとも一部を透過させる特性を有する。
【０００７】
本発明の一つの態様の光学モジュールにおいて、前記第１光分離膜は、入射した光の波長帯および偏光状態に依らず、入射した光の一部を反射し、他の一部を透過するハーフミラーから構成されていてもよい。
【０００８】
本発明の一つの態様の光学モジュールにおいて、前記画像光は、所定の偏光方向を有する第１直線偏光を含み、前記撮像光は、前記第１直線偏光の偏光方向と異なる偏光方向を有する第２直線偏光を含み、前記第１光分離膜は、前記第１直線偏光を透過させ、前記第２直線偏光を反射させる特性、もしくは前記第１直線偏光を反射させ、前記第２直線偏光を透過させる特性を有する偏光分離膜から構成されていてもよい。
【０００９】
本発明の一つの態様の光学モジュールは、前記第３面に対向して設けられた偏光解消板をさらに備えていてもよい。
【００１０】
本発明の一つの態様の光学モジュールは、前記プリズムの第４面に対向して設けられ、非可視光を前記第４面に向けて射出する非可視光射出部をさらに備えていてもよく、前記光分離素子は、前記プリズムの内部に前記第１光分離膜と交差して設けられた第２光分離膜をさらに備えていてもよい。この構成において、前記画像光は、所定の偏光方向を有する第１直線偏光を含み、前記撮像光は、前記第１直線偏光の偏光方向と異なる偏光方向を有する第２直線偏光を含み、前記第１光分離膜は、可視光帯域の前記第２直線偏光を反射させ、非可視光帯域の前記第２直線偏光を透過させ、可視光帯域および非可視光帯域の前記第１直線偏光を透過させる特性を有する波長分離膜から構成され、前記第２光分離膜は、可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を透過させ、非可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を反射させる特性を有する波長分離膜から構成されていてもよい。
【００１１】
本発明の一つの態様の光学モジュールにおいて、前記プリズムの第４面に対向して設けられ、非可視光を前記第４面に向けて射出する非可視光射出部をさらに備えていてもよく、前記光分離素子は、前記プリズムの内部に前記第１光分離膜と交差して設けられた第２光分離膜をさらに備えていてもよい。この構成において、前記画像光は、所定の偏光方向を有する第１直線偏光を含み、前記撮像光は、前記第１直線偏光を含み、前記非可視光は、前記第１直線偏光の偏光方向と異なる偏光方向を有する第２直線偏光を含み、前記第１光分離膜は、可視光帯域の前記第１直線偏光を透過させ、非可視光帯域の前記第１直線偏光を反射させ、可視光帯域および非可視光帯域の前記第１直線偏光を透過させる特性を有する波長分離膜から構成され、前記第２光分離膜は、可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を反射させ、非可視光帯域の前記第１直線偏光および前記第２直線偏光を透過させる特性を有する波長分離膜から構成されていてもよい。
【００１２】
本発明の一つの態様の光学モジュールにおいて、前記光変調素子は、前記可視光として、互いに波長帯が異なる複数の色光を射出してもよい。
【００１３】
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光学モジュールと、前記光変調素子に向けて光を射出する光源装置と、前記光学モジュールから射出された前記画像光を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、前記投射光学系を介して前記被投射面からの光を前記撮像素子に入射させることにより、前記撮像素子が前記被投射面上の被写体を撮像する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
【図２】第１実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
【図３】第２実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
【図４】第３実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
【図５】第４実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
【図６Ａ】第１光分離膜の反射特性を示す図である。
【図６Ｂ】第１光分離膜の透過特性を示す図である。
【図７Ａ】第２光分離膜の反射特性を示す図である。
【図７Ｂ】第２光分離膜の透過特性を示す図である。
【図８】第５実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
【図９Ａ】第１光分離膜の反射特性を示す図である。
【図９Ｂ】第１光分離膜の透過特性を示す図である。
【図１０Ａ】第２光分離膜の反射特性を示す図である。
【図１０Ｂ】第２光分離膜の透過特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
第１実施形態のプロジェクターは、１枚の液晶パネルを備えたプロジェクター、いわゆる単板式の液晶プロジェクターの一例である。
図１は、第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。図２は、光学モジュールの概略構成図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００１６】
本実施形態のプロジェクターは、光源から射出された白色光を、カラーホイールにより赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの異なる３色の色光に変換し、光変調素子により変調してカラー画像を表示する。
【００１７】
図１に示すように、プロジェクター１０は、照明装置１１と、集光光学系１２と、カラーホイール１３と、ピックアップ光学系１４と、光学モジュール１５と、投射光学系１６と、を備えている。
【００１８】
照明装置１１は、後述する光学モジュール１５の光変調素子３６を照明する照明光として白色光ＬＷを射出する。カラーホイール１３は、照明装置１１から射出された白色光ＬＷを時分割で赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの異なる３色の色光に変調する。投射光学系１６は、時間変調された画像光をスクリーンＳＣ（被投射面）上に投射する。
【００１９】
照明装置１１は、光源装置１８と、第１レンズアレイ１９と、第２レンズアレイ２０と、偏光変換素子２１と、を備えている。光源装置１８は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等の放電ランプからなる光源２３と、リフレクター２４と、を備えている。光源２３から射出された光のうち、第１レンズアレイ１９とは反対側に向かって進む光は、リフレクター２４で反射された後、第１レンズアレイ１９の方向に向けて進む。このように、光源装置１８は、第１レンズアレイ１９に向けて光を射出する。光源装置１８は、赤色光成分と緑色光成分と青色光成分とを含む白色光ＬＷを射出する。
【００２０】
第１レンズアレイ１９は、ピックアップ光学系１４の光射出側に設けられ、光源装置１８から射出された光を複数の部分光束に分割する。第１レンズアレイ１９は、照明光軸ＡＸ１と直交する面内にマトリクス状に配列された複数のレンズから構成されている。照明光軸ＡＸ１は、光源装置１８から射出された光の中心軸である。
【００２１】
第２レンズアレイ２０は、第１レンズアレイ１９と同様、照明光軸ＡＸ１に直交する面内にマトリクス状に配列された複数のレンズから構成されている。複数のレンズは、第１レンズアレイ１９の複数のレンズに対応して設けられている。第２レンズアレイ２０は、第１レンズアレイ１９の各レンズの像を、光変調素子３６の画像形成領域の近傍に結像させる。
【００２２】
偏光変換素子２１は、第１レンズアレイ１９により分割された各部分光束の偏光方向を、偏光方向の揃った略１種類の直線偏光光として射出する。偏光変換素子２１は、図示しない偏光分離層と反射層と位相差板とを有する。偏光分離層は、光源装置１８からの光に含まれる偏光成分のうち、一方の直線偏光成分をそのまま透過し、他方の直線偏光成分を照明光軸ＡＸ１に垂直な方向に反射する。反射層は、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸ＡＸ１に平行な方向に反射する。位相差板は、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する。
【００２３】
集光光学系１２は、光源装置１８とカラーホイール１３との間に設けられている。集光光学系１２は、第１レンズ１２１と、第２レンズ１２２と、を備えている。第１レンズ１２１および第２レンズ１２２のそれぞれは、凸レンズから構成されている。集光光学系１２は、光源装置１８から射出された白色光ＬＷをカラーホイール１３のカラーフィルター領域に集光させる。
【００２４】
カラーホイール１３は、円板１３１と、駆動装置１３２と、を備えている。円板１３１の中心には回転軸（図示略）が設けられ、回転軸には電動モーター等の駆動装置１３２が接続されている。これにより、円板１３１は、駆動装置１３２によって周方向に回転する。円板１３１には、周方向に沿って赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光成分を透過する薄膜干渉フィルター等からなる複数のカラーフィルター領域（図示略）が配置されている。このように、カラーホイール１３は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各色光を時間順次に射出する。
【００２５】
ピックアップ光学系１４は、カラーホイール１３の光射出側に設けられている。ピックアップ光学系１４は、第１レンズ１４１と、第２レンズ１４２と、を備えている。第１レンズ１４１および第２レンズ１４２のそれぞれは、凸レンズから構成されている。ピックアップ光学系１４は、カラーホイール１３から時間順次に射出される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを光学モジュール１５に導く。
【００２６】
光学モジュール１５は、光変調装置３１と、撮像素子３２と、光分離素子３３と、を備えている。光変調装置３１は、入射側偏光板３５と、光変調素子３６と、射出側偏光板３７と、を備えている。なお、図２においては、光変調装置３１のうち、入射側偏光板３５および射出側偏光板３７の図示を省略する。
【００２７】
入射側偏光板３５は、光変調素子３６の光入射側に配置されている。入射側偏光板３５は、光源装置１８から射出された光のうち、偏光変換素子２１によって揃えられた偏光方向の直線偏光を透過し、その偏光方向と異なる偏光方向の直線偏光を吸収して光変調素子３６に射出する。
【００２８】
光変調素子３６は、詳細な図示を省略するが、一対のガラス基板の間に液晶が封入された液晶パネルから構成されている。光変調素子３６は、複数の画素がマトリクス状に配置された矩形状の画像形成領域（図示略）を有している。光変調素子３６は、画像情報に応じて液晶の配向状態が制御され、光変調素子３６に時分割で順次入射する赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを画像情報に応じて変調する。すなわち、光変調素子３６は、可視光として、互いに波長帯が異なる複数の色光を射出する。
【００２９】
射出側偏光板３７は、光変調素子３６の光射出側に配置されている。射出側偏光板３７は、入射側偏光板３５と略同様の機能を有し、光変調素子３６において変調された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢのうち、所定の偏光方向の直線偏光を吸収し、その偏光方向と異なる偏光方向の直線偏光を透過して光分離素子３３に向けて射出する。
【００３０】
投射光学系１６は、複数の投射レンズ１６１，１６２，１６３から構成されている。しかしながら、個々の投射レンズ１６１，１６２，１６３の構成および枚数については、特に限定されない。投射光学系１６は、光学モジュール１５から射出された画像光Ｌ１をスクリーンＳＣに投射する。
【００３１】
以下、光学モジュール１５の構成について説明する。
図２に示すように、光学モジュール１５は、光分離素子３３と、光変調素子３６と、撮像素子３２と、を備えている。光分離素子３３は、プリズム４１と、第１光分離膜４２と、を備えている。
【００３２】
プリズム４１は、立方体状のガラスブロック等の硝材から構成されている。プリズム４１は、第１面４１ａと、第２面４１ｂと、第３面４１ｃと、第４面４１ｄと、を含む６つの面を有している。図２において、第１面４１ａと第３面４１ｃとは互いに平行であり、第２面４１ｂと第４面４１ｄとは互いに平行であり、第１面４１ａと第２面４１ｂとは互いに垂直であり、第３面４１ｃと第４面４１ｄとは互いに垂直である。図２におけるプリズム４１の手前側と奥側にあたる２つの面の図示は省略する。
【００３３】
光変調素子３６は、第１面４１ａに対向して設けられている。光変調素子３６は、画像情報に応じて変調した可視光からなる画像光Ｌ１を第１面４１ａに向けて射出する。上述したように、画像光Ｌ１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢが所定期間毎に順次に切り替わる光である。したがって、第１面４１ａは、光変調素子３６から射出された画像光Ｌ１を光分離素子３３に入射させる面である。
【００３４】
撮像素子３２は、第２面４１ｂに対向して設けられている。撮像素子３２は、第２面４１ｂから射出された撮像光Ｌ２を受光する。撮像素子３２は、ＣＣＤイメージセンサー、ＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子から構成されている。撮像素子３２は、投射光学系１６を介して入射された撮像光Ｌ２を受光することによって、スクリーンＳＣ側に位置する被写体を撮像する。本実施形態の場合、撮像光Ｌ２は、スクリーンＳＣもしくはスクリーンＳＣの前方もしくは近傍に位置する物体から放射される可視光、もしくは赤外光等の非可視光を含む。
【００３５】
第１光分離膜４２は、画像光Ｌ１の少なくとも一部を透過させ、撮像光Ｌ２の少なくとも一部を反射させる特性を有する。本実施形態において、第１光分離膜４２は、入射した光の波長帯および偏光状態に依らず、入射した光の一部を反射し、他の一部を透過するハーフミラー４４から構成されている。したがって、光変調素子３６から射出される光の波長帯（色）や偏光状態は、特に限定されない。ハーフミラー４４は、例えば誘電体多層膜、金属膜等の多層膜もしくは単層膜から構成されている。第１光分離膜４２は、第１面４１ａと第２面４１ｂとが接する角部と、第３面４１ｃと第４面４１ｄとが接する角部と、にわたって対角線上に設けられている。
【００３６】
本実施形態の光学モジュール１５において、光変調素子３６とスクリーンＳＣとは共役であり、かつ、撮像素子３２とスクリーンＳＣとは共役である。図２に示すように、光変調素子３６から射出された画像光Ｌ１は、第１面４１ａから光分離素子３３のプリズム４１に入射した後、画像光Ｌ１の一部が第１光分離膜４２を透過し、投射光学系１６によってスクリーンＳＣ上に投射される。また、画像光Ｌ１の他の一部は、第１光分離膜４２で反射する。
【００３７】
一方、投射光学系１６から入射した撮像光Ｌ２は、第３面４１ｃから光分離素子３３のプリズム４１に入射した後、撮像光Ｌ２の一部が第１光分離膜４２で反射し、撮像素子３２に入射する。これにより、スクリーンＳＣ側の被写体は、撮像素子３２によって撮像される。また、撮像光Ｌ２の他の一部は、第１光分離膜４２を透過する。
【００３８】
なお、第１光分離膜４２を構成するハーフミラー４４の反射率および透過率は、特に限定されることなく、任意の値に設定されればよい。ただし、ハーフミラー４４の反射率が大きいと、撮像素子３２に入射する撮像光Ｌ２の量が増える反面、ハーフミラー４４で反射する画像光Ｌ１の量も増えるため、スクリーンＳＣ上の投射画像が暗くなるおそれがある。そのため、プロジェクター１０の用途にもよるが、感度の高い撮像素子３２を用い、ハーフミラー４４の反射率を大き過ぎないように設定することが望ましい。
【００３９】
上述したように、撮像機能を備えた従来のプロジェクターにおいては、スクリーン側の様子を撮像するために赤外光を射出するポインティングデバイスが必要であり、プロジェクター単独では撮像が不可能であった。
【００４０】
これに対して、本実施形態のプロジェクター１０においては、撮像素子３２が投射光学系１６を介してスクリーンＳＣもしくはスクリーンＳＣ近傍の物体から放射される可視光や非可視光を受光することによって撮像が可能である。そのため、赤外光を射出するポインティングデバイスを用いることなく、プロジェクター単独で投射、撮像の２つの機能を実現することができる。
【００４１】
また、本実施形態のプロジェクター１０によれば、投射光学系１６が撮像光学系としても機能するため、撮像光学系を別途備える必要がない。そのため、小型化やコスト低減が可能な撮像機能を備えたプロジェクターを実現することができる。
【００４２】
さらに、投射光学系１６が撮像光学系として兼用でき、同軸で撮像と投射が可能になるため、撮像画像を基に位置や特定画像の検出を行う場合の検出精度が向上する、撮像情報から意図する投射位置への変換が円滑かつ高速に行える、撮像光学系と投射光学系との間での光線干渉が無くなることで広角系のレンズを用いることができる、等の種々の効果が得られる。
【００４３】
本実施形態のプロジェクター１０は、上記の種々の利点を有することから、様々な用途に用いることができる。例えば、動いている多くの物の中から特定の物を識別し、その物に光を投射する必要のあるシーン、具体的には、人物の動きや表情から不審者を特定してその人物へメッセージを投影する空港検査や警備所、バーチャル試着や顧客志向のフィードバックを行う店舗、人や物の動きに合わせて演出光を重ねる舞台装置、手術時の補助ツールとして患部へのマッピングを行う医療分野等に、本実施形態のプロジェクター１０を適用することができる。
【００４４】
［変形例］
本実施形態において、図２に示した光学モジュール１５の光変調素子３６と撮像素子３２の位置を互いに入れ替え、第１光分離膜４２は、画像光Ｌ１の少なくとも一部を反射させ、撮像光Ｌ２の少なくとも一部を透過させる特性を有するものとしてもよい。
【００４５】
上記の構成において、光変調素子３６から射出された画像光Ｌ１は、第１光分離膜４２で反射して投射光学系１６に向けて光分離素子３３から射出される。また、投射光学系１６から入射した撮像光Ｌ２は、第１光分離膜４２を透過して撮像素子３２に入射する。したがって、本変形例の場合、上記実施形態とは逆に、ハーフミラー４４の反射率が小さいと、投射光学系１６に向かう画像光Ｌ１の量が減るため、スクリーンＳＣ上の投射画像が暗くなるおそれがある。そのため、ハーフミラー４４の反射率はある程度大きいことが望ましい。
【００４６】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、光学モジュールの構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの全体構成の説明は省略する。
図３は、第２実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
図３において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４７】
図３に示すように、第２実施形態の光学モジュール５１は、光分離素子５２と、光変調素子３６と、撮像素子３２と、を備えている。光分離素子５２は、プリズム４１と、第１光分離膜５３と、を備えている。
【００４８】
本実施形態の場合、光変調素子３６から射出される画像光Ｌ３は、第１光分離膜５３に対するＰ偏光Ｌｐ（第１直線偏光）からなる。また、投射光学系１６から入射する撮像光Ｌ４は、第１光分離膜５３に対するＳ偏光Ｌｓ（第２直線偏光）と、第１光分離膜５３に対するＰ偏光Ｌｐと、を含んでいる。なお、本実施形態の以下の説明においては、Ｓ偏光ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐは、第１光分離膜５３に対する偏光方向として表現する。
【００４９】
本実施形態において、第１光分離膜５３は、Ｐ偏光Ｌｐを透過させ、Ｓ偏光Ｌｓを反射させる特性を有する偏光分離膜５５から構成されている。したがって、第１光分離膜５３は、Ｐ偏光Ｌｐからなる画像光Ｌ３を透過させ、Ｓ偏光ＬｓとＰ偏光Ｌｐとを含む撮像光Ｌ４の一部（Ｓ偏光Ｌｓ）を反射させる。偏光分離膜５５は、例えば誘電体多層膜から構成されている。第１光分離膜５３は、第１面４１ａと第２面４１ｂとが接する角部と、第３面４１ｃと第４面４１ｄとが接する角部と、にわたって対角線上に設けられている。
光学モジュール５１のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００５０】
本実施形態においても、ポインティングデバイスを用いずにプロジェクター単独で投射、撮像の２つの機能を実現できる、小型化やコスト低減が可能なプロジェクターを実現できる、位置・画像検出の精度向上、処理の高速化が図れる、投射光学系に広角系のレンズを使用できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
また、第１実施形態のプロジェクターにおいては、上記の効果が得られる反面、光変調素子３６から射出された画像光Ｌ１の一部が第１光分離膜４２で反射することにより、投射画像が暗くなるおそれがあった。これに対し、本実施形態のプロジェクターにおいては、光変調素子３６からＰ偏光Ｌｐが射出され、第１光分離膜５３がＰ偏光Ｌｐを透過させる偏光分離膜５５で構成されているため、画像光Ｌ３の略全てが第１光分離膜５３を透過する。これにより、画像光Ｌ３の光量損失が最小限に抑えられ、投射画像の明るさを確保することができる。
【００５２】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であるため、プロジェクターの全体構成の説明は省略する。また、光学モジュールの基本構成は第２実施形態と同様であり、偏光解消板が設けられた点で第２実施形態と異なる。
図４は、第３実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
図４において、第２実施形態で用いた図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５３】
図４に示すように、第３実施形態の光学モジュール６１は、光分離素子５２と、光変調素子３６と、撮像素子３２と、偏光解消板６２と、を備えている。光分離素子５２は、プリズム４１と、第１光分離膜５３と、を備えている。
【００５４】
本実施形態の光学モジュール６１の場合、偏光解消板６２は、光分離素子５２と投射光学系１６との間にプリズム４１の第３面４１ｃに対向して設けられている。偏光解消板６２には、例えば水晶等の複屈折材料を用いた周知の偏光解消板を用いることができる。偏光解消板６２は、特定の偏光方向を有する光が入射された際にこの光を非偏光に変換して射出する。
光学モジュール６１のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００５５】
本実施形態においても、ポインティングデバイスを用いずにプロジェクター単独で投射、撮像の２つの機能を実現できる、小型化やコスト低減が可能なプロジェクターを実現できる、位置・画像検出の精度向上、処理の高速化が図れる、投射光学系に広角系のレンズを使用できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５６】
特に本実施形態の場合、プリズム４１の第３面４１ｃに対向して偏光解消板６２が設けられていることにより、以下の効果が得られる。
画像光Ｌ３については、光分離素子５２を射出した時点でＰ偏光Ｌｐであった画像光Ｌ３が偏光解消板６２を透過することにより、無偏光の画像光に変わるだけである。したがって、偏光解消板６２の有無に係わらず、画像光Ｌ３の光量は変わらない。また、画像光Ｌ３を無偏光にすることで、スクリーンＳＣの偏光反射特性を解消させることができる。これにより、偏光起因による投射画像の色ムラを低減させることができる。
【００５７】
一方、撮像光については、第２実施形態では、特定の偏光方向を有する撮像光Ｌ４が偏光分離膜５５を介して撮像素子３２に入射するため、撮像画像に色ムラが生じる場合がある。これに対し、本実施形態においては、無偏光の撮像光Ｌ５が偏光分離膜５５を介して撮像素子３２に入射するため、撮像画像の色ムラを抑制することができる。これにより、画像光Ｌ３の光量を確保しつつ、撮像光Ｌ５による色ムラの少ない撮像画像を得ることができる。したがって、本実施形態の光学モジュール６１は、例えば撮像画像の色情報を画像検出、画像処理等に利用する用途に対して好適に用いることができる。
【００５８】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図５〜図７Ｂを用いて説明する。
第４実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、光学モジュールの構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの全体構成の説明は省略する。
図５は、第４実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
図５において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５９】
図５に示すように、第４実施形態の光学モジュール７１は、光分離素子７２と、光変調素子３６と、撮像素子３２と、非可視光射出部７３と、を備えている。光分離素子７２は、プリズム４１と、第１光分離膜７５と、第２光分離膜７６と、を備えている。
【００６０】
非可視光射出部７３は、プリズム４１の第４面４１ｄに対向して設けられている。非可視光射出部７３は、赤外光等の非可視光Ｌ９を第４面４１ｄに向けて射出する。非可視光射出部７３は、非可視光ＬＮを射出する照明装置７３１と、照明装置７３１からの非可視光ＬＮを変調する液晶パネル７３２と、を備えた光変調装置から構成されている。この構成によれば、非可視光Ｌ９からなる所望の画像や文字をスクリーンＳＣ上に投射することができる。もしくは、非可視光射出部７３は、非可視光ＬＮを射出する照明装置と、照明装置の光射出側に設けられたマスクと、を備えたパターン表示装置から構成されていてもよい。この構成によれば、例えば非可視光Ｌ９からなる格子状のパターン等をスクリーンＳＣ上に投射することができる。もしくは、非可視光射出部７３は、非可視光ＬＮをスクリーンＳＣ上にスポット状に照射する発光素子から構成されていてもよい。また、非可視光Ｌ９は、赤外光に限らず、紫外光であってもよい。また、非可視光Ｌ９の偏光方向は、特に限定されない。
【００６１】
光分離素子７２は、プリズム４１の内部に、第１光分離膜７５と交差して設けられた第２光分離膜７６をさらに備えている。すなわち、第２光分離膜７６は、第２面４１ｂと第３面４１ｃとが接する角部と、第１面４１ａと第４面４１ｄとが接する角部と、にわたって対角線上に設けられている。第２光分離膜７６は、誘電体多層膜からなる波長分離膜７７から構成されている。第２光分離膜７６は、非可視光射出部７３から射出された非可視光Ｌ９を反射し、可視光からなる画像光Ｌ７および撮像光Ｌ８を透過させる。
【００６２】
以下、第１光分離膜７５および第２光分離膜７６の特性と、光学モジュール７１の作用について説明する。
図６Ａは、第１光分離膜７５の反射特性を示す図である。図６Ｂは、第１光分離膜７５の透過特性を示す図である。図７Ａは、第２光分離膜７６の反射特性を示す図である。図７Ｂは、第２光分離膜７６の透過特性を示す図である。各図において、横軸は波長帯を示し、短波長側から長波長側に向かって、青色帯（Ｂ）、緑色帯（Ｇ）、赤色帯（Ｒ）、赤外帯（ＩＲ）をそれぞれ示す。
【００６３】
図６Ａの符号Ｒｓで示す曲線は、第１光分離膜７５に対するＳ偏光の反射特性を示す。図６Ｂの符号Ｔｐで示す曲線は、第１光分離膜７５に対するＰ偏光の透過特性を示す。図７Ａの符号Ｒ２で示す曲線は、第２光分離膜７６に対するＳ偏光、Ｐ偏光双方の反射特性を示す。図７Ｂの符号Ｔ２で示す曲線は、第２光分離膜７６に対するＳ偏光、Ｐ偏光双方の透過特性を示す。すなわち、第２光分離膜７６は、偏光方向に依存せず、波長に依存した反射特性および透過特性を有する。
【００６４】
本実施形態の場合、図５に示すように、光変調素子３６から射出される画像光Ｌ７は、第１光分離膜７５に対するＰ偏光Ｌｐ（第１直線偏光）である。また、撮像光Ｌ８は、第１光分離膜７５に対するＳ偏光Ｌｓ（第２直線偏光）を少なくとも含んでいる。
【００６５】
図６Ａに示すように、第１光分離膜７５は、可視光帯域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）のＳ偏光Ｌｓを反射させ、非可視光帯域（ＩＲ）のＳ偏光Ｌｓを透過させ、図６Ｂに示すように、可視光帯域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）および非可視光帯域（ＩＲ）のＰ偏光Ｌｐを透過させる特性を有している。
【００６６】
また、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、第２光分離膜７６は、可視光帯域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）のＳ偏光ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐを透過させ、非可視光帯域（ＩＲ）のＳ偏光ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐを反射させる特性を有している。
【００６７】
上記の特性に基づいて、光変調素子３６から射出された可視光帯域のＰ偏光Ｌｐからなる画像光Ｌ７は、第１光分離膜７５および第２光分離膜７６の双方を透過する。これにより、画像光Ｌ７は、光分離素子７２から投射光学系１６に向けて射出され、画像表示に寄与する。また、非可視光射出部７３から射出された非可視光Ｌ９は、第１光分離膜７５を透過し、第２光分離膜７６で反射する。これにより、非可視光Ｌ９は、光分離素子７２から投射光学系１６に向けて射出され、任意のパターン等の表示に寄与する。
【００６８】
一方、投射光学系１６を介して入射した撮像光Ｌ８のうち、可視光帯域のＳ偏光Ｌｓの光は、第２光分離膜７６を透過し、第１光分離膜７５で反射する。これにより、撮像光Ｌ８の一部は、光分離素子７２から撮像素子３２に入射し、撮像に寄与する。
【００６９】
なお、本実施形態の場合、撮像光Ｌ８のうち、非可視光帯域の光は撮像素子３２に入射しないため、非可視光射出部７３から射出された非可視光Ｌ９からなるパターンは、撮像されることがない。そのため、非可視光Ｌ９からなるパターンを撮像する必要がある場合には、非可視光Ｌ９を撮像するための光学系を別途用いる必要がある。
【００７０】
本実施形態においても、ポインティングデバイスを用いずにプロジェクター単独で投射、撮像の２つの機能を実現できる、小型化やコスト低減が可能なプロジェクターを実現できる、位置・画像検出の精度向上、処理の高速化が図れる、投射光学系に広角系のレンズを使用できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７１】
さらに本実施形態の場合、光学モジュール７１が非可視光射出部７３を備えているため、非可視光Ｌ９を用いて位置検出用のパターン等を表示することができ、このパターンを位置検出等に利用することができる。
【００７２】
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図８〜図１０Ｂを用いて説明する。
第５実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であるため、プロジェクターの全体構成の説明は省略する。また、光学モジュールの基本構成は第４実施形態と同様であり、光変調素子と非可視光射出部との位置関係、および各光分離膜の特性が第４実施形態と異なる。
図８は、第５実施形態の光学モジュールの概略構成図である。
図８において、第４実施形態で用いた図５と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７３】
図８に示すように、第５実施形態の光学モジュール８１は、光分離素子８２と、光変調素子３６と、撮像素子３２と、非可視光射出部７３と、を備えている。光分離素子８２は、プリズム４１と、第１光分離膜８５と、第２光分離膜８６と、を備えている。
【００７４】
図５と図８とを比較すると、第５実施形態の光学モジュール８１では、第４実施形態の光学モジュール７１に対して、光変調素子３６と非可視光射出部７３との位置が入れ替わっている。すなわち、第５実施形態の光学モジュール８１において、図８に示すように、第１面４１ａと第２面４１ｂとは互いに平行であり、第３面４１ｃと第４面４１ｄとは互いに平行である。したがって、光変調素子３６と撮像素子３２とは、光分離素子８２を挟んで対向し、非可視光射出部７３と投射光学系１６とは、光分離素子８２を挟んで対向している。
【００７５】
以下、第１光分離膜８５および第２光分離膜８６の特性と、光学モジュール８１の作用について説明する。
図９Ａは、第１光分離膜８５の反射特性を示す図である。図９Ｂは、第１光分離膜８５の透過特性を示す図である。図１０Ａは、第２光分離膜８６の反射特性を示す図である。図１０Ｂは、第２光分離膜８６の透過特性を示す図である。各図において、横軸は波長帯を示し、短波長側から長波長側に向かって、青色帯（Ｂ）、緑色帯（Ｇ）、赤色帯（Ｒ）、赤外帯（ＩＲ）をそれぞれ示す。
【００７６】
図９Ａの符号Ｒｓで示す曲線は、第１光分離膜８５に対するＳ偏光の反射特性を示す。図９Ｂの符号Ｔｐで示す曲線は、第１光分離膜８５に対するＰ偏光の透過特性を示す。図１０Ａの符号Ｒ２で示す曲線は、第２光分離膜８６に対するＳ偏光、Ｐ偏光双方の反射特性を示す。図１０Ｂの符号Ｔ２で示す曲線は、第２光分離膜８６に対するＳ偏光、Ｐ偏光双方の透過特性を示す。すなわち、第２光分離膜８６は、偏光方向に依存せず、波長に依存した反射特性および透過特性を有する。
【００７７】
本実施形態の場合、図８に示すように、光変調素子３６から射出される画像光Ｌ７は、第１光分離膜８５および第２光分離膜８６に対するＳ偏光Ｌｓ（第１直線偏光）である。また、非可視光Ｌ９は、第１光分離膜８５および第２光分離膜８６に対するＰ偏光Ｌｐ（第２直線偏光）である。また、撮像光Ｌ８は、第１光分離膜８５および第２光分離膜８６に対するＳ偏光Ｌｓ（第１直線偏光）を少なくとも含んでいる。
【００７８】
図９Ａに示すように、第１光分離膜８５は、可視光帯域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）のＳ偏光Ｌｓを透過させ、非可視光帯域（ＩＲ）のＳ偏光Ｌｓを反射させ、図９Ｂに示すように、可視光帯域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）および非可視光帯域（ＩＲ）のＰ偏光Ｌｐを透過させる特性を有している。
【００７９】
また、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、第２光分離膜８６は、可視光帯域（Ｂ，Ｇ，Ｒ）のＳ偏光ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐを反射させ、非可視光帯域（ＩＲ）のＳ偏光ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐを透過させる特性を有している。
【００８０】
上記の特性に基づいて、光変調素子３６から射出された可視光帯域のＳ偏光Ｌｓからなる画像光Ｌ７は、第１光分離膜８５を透過し、第２光分離膜８６で反射する。これにより、画像光Ｌ７は、光分離素子８２から投射光学系１６に向けて射出され、画像表示に寄与する。また、非可視光射出部７３から射出されたＰ偏光Ｌｐからなる非可視光Ｌ９は、第１光分離膜８５および第２光分離膜８６の双方を透過する。これにより、非可視光Ｌ９は、光分離素子８２から投射光学系１６に向けて射出され、任意のパターン等の表示に寄与する。
【００８１】
一方、投射光学系１６を介して入射した撮像光Ｌ８のうち、非可視光帯域のＳ偏光Ｌｓの光は、第２光分離膜８６を透過し、第１光分離膜８５で反射する。これにより、撮像光Ｌ８の一部は、光分離素子８２から撮像素子３２に入射し、撮像に寄与する。
【００８２】
なお、本実施形態の場合、撮像光Ｌ８のうち、可視光帯域の光は撮像素子３２に入射しないため、光変調素子３６から射出された可視光からなる投射画像は、撮像されることがない。そのため、投射画像を撮像する必要がある場合には、可視光を撮像するための光学系を別途用いる必要がある。
【００８３】
本実施形態においても、ポインティングデバイスを用いずにプロジェクター単独で投射、撮像の２つの機能を実現できる、小型化やコスト低減が可能なプロジェクターを実現できる、位置・画像検出の精度向上、処理の高速化が図れる、投射光学系に広角系のレンズを使用できる、等の第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８４】
また、本実施形態の場合も、第４実施形態と同様、光学モジュール８１が非可視光射出部７３を備えているため、非可視光Ｌ９を用いて位置検出用のパターン等を表示することができ、このパターンを位置検出等に利用することができる。
【００８５】
このように、第４実施形態の光学モジュール７１と第５実施形態の光学モジュール８１とでは、可視光による投射画像を撮像するか、非可視光によるパターンを撮像するかという撮像対象が異なる。したがって、撮像情報をどのように利用するかによって、第４実施形態の光学モジュール７１と第５実施形態の光学モジュール８１とを適宜使い分ければよい。
【００８６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、透過型のプロジェクターに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型のプロジェクターにも適用することも可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過する形態であることを意味する。「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射する形態であることを意味する。なお、光変調装置は、液晶ライトバルブに限られず、例えばデジタルマイクロミラーデバイスが用いられてもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、カラーホイールを用いた時分割方式の単板式プロジェクターに本発明を適用した例を挙げたが、例えば１つの光変調素子の１つの画素を構成する複数のサブ画素に異なる色光を入射させる空間分離方式の単板式プロジェクターに本発明を適用してもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、１つの光変調素子を備えたプロジェクター、いわゆる単板式のプロジェクターに本発明を適用した例を挙げたが、例えば赤色光用光変調素子、緑色光用光変調素子および青色光用光変調素子からなる３つの光変調素子を備えたプロジェクター、いわゆる３板式のプロジェクターに本発明を適用してもよい。その場合、３つの光変調素子と３色の色光を合成する色合成素子が光分離素子の前段に設けられていればよい。
【００８９】
上記実施形態では、放電ランプからなる光源装置を用いた例を挙げたが、その他、蛍光体を含む波長変換素子と励起光源とを有する光源装置、レーザー光源を有する光源装置などが用いられてもよい。
【００９０】
また、プロジェクターの各構成要素の形状、大きさ、数、配置、材料等の具体的な構成については、上記実施形態に限定されることなく、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００９１】
１０…プロジェクター、１５，５１，６１，７１，８１…光学モジュール、１６…投射光学系、１８…光源装置、３２…撮像素子、３３，５２，７２，８２…光分離素子、３６…光変調素子、４１…プリズム、４１ａ…第１面、４１ｂ…第２面、４１ｃ…第３面、４１ｄ…第４面、４２，５３，７５，８５…第１光分離膜、４４…ハーフミラー、５５…偏光分離膜、６２…偏光解消板、７３…非可視光射出部、７６，８６…第２光分離膜、７７…波長分離膜、Ｌ１，Ｌ３，Ｌ７…画像光、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ８…撮像光、Ｌ９，ＬＮ…非可視光、Ｌｐ…Ｐ偏光（第１直線偏光）、Ｌｓ…Ｓ偏光（第２直線偏光）、ＳＣ…スクリーン（被投射面）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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