(57)【要約】【課題】光が照射された反射光学素子での光エネルギの吸収により該反射光学素子に発生する熱変形歪を簡単かつ安価な構成で抑制する。【解決手段】画像投射装置は、反射光学素子４ａ〜４ｄを含み、投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、該反射光学素子における反射面以外の部分９に熱を与える加熱手段７ａ〜７ｄと、該反射光学素子の反射面に入射する光束が持つ光エネルギのうち該反射面で吸収される光エネルギを測定する測定手段６と、該測定手段による測定結果に応じて加熱手段を制御する制御手段８とを有する。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射光学素子を含み、投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、
前記反射光学素子における反射面以外の部分に熱を与える加熱手段と、
前記反射光学素子の反射面に入射する光束が持つ光エネルギのうち該反射面で吸収される光エネルギを測定する測定手段と、
該測定手段による測定結果に応じて前記加熱手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
反射光学素子を含み、該装置への入力画像に対応する投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、
前記反射光学素子における反射面以外の部分に熱を与える加熱手段と、
前記入力画像の画像強度変化に応じて前記加熱手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項３】
反射光学素子を含み、該装置への入力画像に対応する投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、
前記反射光学素子における反射面以外の部分に熱を与える加熱手段とを有し、
前記加熱手段は、前記入力画像の画像強度変化に応じて変化する前記反射面で吸収される光エネルギの最大値の３０％以上５０％以下の光エネルギに相当する熱を前記反射面以外の部分に与えることを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、抵抗体であることを特徴とする請求項１から３のいずかれか１つに記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記光の発生源である光源からの赤外線を用いて前記反射面以外の部分に熱を与えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像投射装置。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記反射光学素子における前記反射面とは反対側の面のうち、前記反射面での前記光の入射領域に対応する領域に熱を与えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像投射装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の画像投射装置と、
該画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射光学素子を用いた画像投射装置に関し、特に熱による反射光学素子の変形を補正する機能を有する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射光学素子を用いたプロジェクタ等の画像投射装置において、反射光学素子に入射する光によって該反射光学素子が変形又は変位すると、所望の画像投射性能を満たせなくなる。このため、特許文献１には、滑り機構によって反射光学素子の熱変形を逃がして該反射光学素子の変位を低減する方法が開示されている。
【０００３】
また、シンクロトロン放射光を対象とした光学素子の温度分布を測定し、該温度分布に対応して光学素子を部分的に加熱することによりその形状を安定化させる方法が特許文献２にて開示されている。
【０００４】
さらに、特許文献２には、反射光学素子を用いる場合に、その表面と裏面の温度分布を均一化することで、反射光学素子の熱変形歪を低減する方法も開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２５８４７８号公報（段落００２２〜００２３、図２〜４等）
【特許文献２】特開平５−６６２９７号公報（段落００１８〜００２９、図１，２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のような滑り機構を用いる方法では、反射光学素子と反射光学素子を固定する筐体との間で起こる熱変形歪を逃がすことはできるが、反射光学素子自体に発生している熱変形歪を低減することはできない。反射光学素子自体に発生する熱変形歪は、投射画像のボケや歪を発生させるなど、著しく画質を劣化させる原因となる。
【０００６】
また、上記特許文献２にて開示された方法は、理化学研究、分析装置、製造装置に用いられるシンクロトロン放射光や高強度のレーザー光などの高強度な光によって発生する光学素子の局所的な温度上昇による不均一な温度分布を補正するためのものである。この場合、温度分布測定手段および加熱手段には高精度で高分解能な装置を必要とするので、装置の構成が複雑になったり装置が高価になったりする。
【０００７】
本発明は、光が照射された反射光学素子での光エネルギの吸収により該反射光学素子に発生する熱変形歪を簡単かつ安価な構成で抑制できるようにした画像投射装置及び画像表示システムを提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての画像投射装置は、反射光学素子を含み、投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、該反射光学素子における反射面以外の部分に熱を与える加熱手段と、該反射光学素子の反射面に入射する光束が持つ光エネルギのうち該反射面で吸収される光エネルギを測定する測定手段と、該測定手段による測定結果に応じて加熱手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の側面としての画像投射装置は、反射光学素子を含み、該装置への入力画像に対応する投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、該反射光学素子における反射面以外の部分に熱を与える加熱手段と、該入力画像の変化に応じて加熱手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明の他の側面としての画像投射装置は、反射光学素子を含み、該装置への入力画像に対応する投射画像を形成するための光束を投射する投射光学系と、該反射光学素子における反射面以外の部分に熱を与える加熱手段とを有する。そして、加熱手段は、該入力画像の変化に応じて変化する該反射面で吸収される光エネルギの最大値の３０％以上５０％以下の光エネルギに相当する熱を該反射面以外の部分に与えることを特徴とする。
【００１１】
なお、上記画像投射装置及び画像供給装置を有する画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反射光学素子の反射面で吸収される光エネルギの測定結果に応じて、該反射光学素子の反射面以外の部分を加熱する加熱手段を制御することで、簡単かつ安価な構成で反射光学素子の熱変形歪を低減することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、入力画像の画像強度変化に応じて反射光学素子の反射面以外の部分を加熱する加熱手段を制御することで、反射光学素子の反射面で吸収される光エネルギを測定する手段を用いなくても反射光学素子の熱変形歪を低減することができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、入力画像の画像強度変化に応じて変化する反射光学素子の反射面で吸収される光エネルギの最大値の３０％以上５０％以下の光エネルギに相当する一定の熱を加熱手段により反射光学素子の反射面以外の部分に与える。これにより、反射光学素子の反射面で吸収される光エネルギを測定する手段や加熱手段を入力画像に応じて制御する手段を用いなくても、反射光学素子の熱変形歪を低減することができる。
【００１５】
そして、以上の発明により、反射光学素子の熱変形歪に起因した画質の劣化が少ない画像投射装置及び画像表示システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１には、本発明の実施例１であるプロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。
【００１８】
１は超高圧水銀ランプやＬＥＤ等の光の発生源となる光源であり、発光部からの光をリフレクター（ミラー）によって反射し、後段の照明光学系に導いている。
【００１９】
２は光源１から拡散して発せられる光束を、均一な強度分布を有する平行光束に変換する照明光学系である。光源１及び照明光学系２により、画像投影用の照明系が構成される。
【００２０】
３は上記照明系からの光を変調して画像情報を形成するための表示素子としての表示パネルである。表示パネル３としては、反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）、微小ミラーを高速駆動して光束を走査するＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）を用いることができる。また、多数の微小ミラーの向きを個々にコントロールとして反射光束により画像を形成するＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いることもできる。
【００２１】
表示パネル３には、駆動回路３ａが接続されており、該駆動回路３ａには、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置５０が接続されている。画像供給装置５０からの画像信号（入力画像）を受けた駆動回路３ａは、該画像信号に対応する画像を表示（形成）するように表示パネル３を駆動する。これにより、プロジェクタと画像供給装置５０を含む画像表示システムが構成される。
【００２２】
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは投射光学系を構成する反射光学素子であり、表示パネル３からの光（画像）をこの順で反射して、反射光学素子４ｄから被投射面であるスクリーン（被投射面）５に拡大投射する（投射画像を形成する）。反射光学素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、反射面として、例えば回転対称面、回転非対称面、自由曲面などで構成される。なお、本実施例では反射光学素子のみで投射光学系を構成しているが、必要に応じて屈折光学系を補正光学系として用いてもよい。
【００２３】
反射光学素子４ａは、図２に詳しく示すように、平板状の基板９と該基板９上に形成された反射膜１０とにより構成されている。反射膜１０が反射面を構成する。
【００２４】
基板９は、数ｍｍ程度の厚みを有し、高精度に加工された金型の形状を転写して製造することが可能である。具体例としては、プラスチック射出成形やガラスモールドにより製造される。これらの製造方法においては、高温に加熱されて溶けた材料が冷却されて固まった状態で所望の形状となるために、基板９の厚さを均一にすることができる。また、基板９は、溶けた材料の流れを良くして、冷却時に著しい温度斑を発生させないように工夫されて製造されている。
【００２５】
反射膜１０は、可視光に対して９０％以上の反射率を有する薄膜であり、金属材料を主要な構成要素とする複数の材料を蒸着によって多層化することにより形成される。具体例としては、アルミニウムや銀を主な構成材料とする反射膜で、単層の膜厚が０．１〜数１０μｍ程度である。以上の構成は、反射光学素子４ｂ〜４ｄについても同様である。
【００２６】
図１において、６は測定手段としての光エネルギ測定ユニットであり、反射膜１０に吸収された光エネルギを測定する。
【００２７】
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは加熱手段としての加熱ユニットであり、反射光学素子４ａ〜４ｄのそれぞれにおける基板９、すなわち反射面以外の部分に熱を与える。８は加熱ユニット７ａ〜７ｄを制御する制御手段としての加熱制御回路である。
【００２８】
図３には、反射光学素子４ａに照射される光の強度分布を示す。実線１３で描かれた楕円形状の内側部分が、スクリーン５に画像を投射するために有効な光束が反射する有効反射領域である。該有効反射領域１３内に分布する光は、中心部１４ａ，中間部１４ｂ及び周辺部１４ｃの同心部分ごとに異なる強度分布を持つ。すなわち、中心部１４ａに入射する光の強度が最も強く、中間部１４ｂ及び周辺部１４ｃの順に光強度は弱くなる。なお、有効反射領域の形状や大きさ、光強度分布の状態は光学系の設計時に決定し、必ずしも図３のように楕円形状分布になるとは限らない。以上の有効反射領域や光強度分布は、反射光学素子４ｂ〜４ｄについても同様である。
【００２９】
図４には、反射光学素子４ａの反射面における温度分布を示す。該温度分布は、図３で示した光強度分布と同様の分布を持ち、光強度の最も強い中心部１４ａに対応する領域１５ａの温度が最も高く、中間部１４ｂ及び周辺部１４ｃに対応する領域１５ｂ，１５ｃの順に温度が低くなる。さらに、反射面において領域１５ｃよりも外側の領域（有効反射領域外の領域）１５ｄは、領域１５ｃよりも温度が低くなる。
【００３０】
図５には、反射光学素子４ａの非反射面、すなわち反射面以外の部分（表面に反射膜１０が形成された基板９の裏面）における温度分布を示す。基板９の裏面においても、図４で示した反射面側の温度分布と同様の温度分布が生じる。すなわち、反射面側において最も温度の高い領域１５ａに対応する領域１６ａの温度が最も高く、領域１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのそれぞれに対応する領域１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの順に温度が低くなる。
【００３１】
反射面で発生した熱、すなわち反射膜１０で吸収された光エネルギにより生じた熱は、反射光学素子４ａの中で吸収されながら材料の熱伝導率に応じて伝播する。また、反射光学素子４ａの境界は雰囲気の空気と接しており、雰囲気との熱交換が生じる。このことから領域１５ａの温度は、この領域１５ａに対応する非反射面側の領域１６ａの温度よりも高くなる。同様に、反射面側の領域１５ｂの温度は非反射面側の領域１６ｂよりも高く、領域１５ｃの温度は領域１６ｃよりも高い。
【００３２】
しかし、雰囲気との熱交換の影響が大きい領域１５ｄと領域１６ｄの温度については、ほぼ同じ温度になる。
【００３３】
このように反射面側と非反射面側とに温度差が発生し、反射面と非反射面とで熱膨張量に差が生じるため、反射光学素子４ａの変形の原因となる。特に上記の例のように反射面側の温度が非反射面側の温度よりも高くなる場合、反射面側の熱膨張が非反射面側の熱膨張よりも大きくなるため、反射面側がより伸張する方向に反るような変形を引き起こす。このことは、反射光学素子４ｂ〜４ｄについても同様である。
【００３４】
この熱変形を補正するためには、反射面と非反射面の温度差を小さくすることが必要である。反射光学素子４ａの反射面で吸収される光エネルギと等価の熱（熱荷重）を非反射面に与えることにより、反射面と非反射面の温度差を小さくする方法について以下に述べる。
【００３５】
反射光学素子４ａには、反射面で吸収されて熱変形歪を発生させる原因となる光エネルギを測定するための光エネルギ測定ユニット６が設けられている。また、反射光学素子４ａ〜４ｄのそれぞれには、非反射面を加熱するための加熱ユニット７ａ〜７ｄが設けられている。
【００３６】
光エネルギ測定ユニット６としては、反射層のうち反射表面の近傍に埋設された光センサや、吸収された光エネルギにより発生した熱を測定する熱電対や赤外線センサなどを用いることができる。また、照射される光の強度を測定して、吸収される光エネルギ量を算出することも可能である。
【００３７】
加熱ユニット７ａは、図２に詳しく示すように、電気エネルギを熱に変換する抵抗体１１と、該抵抗体１１で発生した熱を反射光学素子４ａにおける基板９の裏面（非反射面）に伝えるための熱伝導部材１２とから構成されている。
【００３８】
抵抗体１１は、反射光学素子４ａの反射面で吸収される光エネルギと等価の熱荷重を発生する。これにより、反射光学素子４ａの反射面側での温度分布と非反射面側での温度分布とが等価となり、反射光学素子４ａの熱変形歪の発生を抑えることができる。
【００３９】
また、熱伝導部材１２は、図３で説明した有効反射領域（中心、中間及び周辺領域１４ａ〜１４ｃ）と同じ形状及び大きさを有することが好ましい。熱伝導部材１２としては、金属膜や熱伝導グリスなどを用いることができる。また、加熱手段として、抵抗体１１に代えて、光源１から発生する熱線（赤外線）を利用してもよい。以上のことは、加熱ユニット７ｂ〜７ｄについても同様である。
【００４０】
光エネルギ測定ユニット６と加熱ユニット７ａは、加熱制御回路８に接続されている。また、図１には示されていないが、加熱ユニット７ｂ〜７ｄも同様に加熱制御回路８に接続されている。
【００４１】
加熱制御回路８は、前述したように抵抗体１１が反射光学素子４ａの反射面で吸収される光エネルギと等価の熱荷重を反射光学素子４ａの非反射面に与えるように、抵抗体１１への通電電流を測定ユニット６の出力値（測定結果）に応じてコントロールする。
【００４２】
なお、反射光学素子４ａ以降に光が導かれる反射光学素子４ｂ〜４ｄで吸収される光エネルギについては、反射光学素子４ａで吸収される光エネルギと各反射光学素子の反射率とに基づいて算出することができる。このため、光エネルギ測定ユニット６のようなセンサは不要となる。
【００４３】
前述した特許文献２においては、光学素子の表面と裏面の温度分布をそれぞれ測定して温度制御を行うのに対し、本実施例では、反射光学素子の反射面側での測定のみで温度制御を行うので、プロジェクタの構成を簡略化して、コストを低下させることができる。
【００４４】
図６には、本実施例における加熱制御回路８の動作フローチャートを示す。ここでは、加熱ユニット７ａ〜７ｄに抵抗体１１を用いる場合について説明する。
【００４５】
ステップ（図ではＳと略記する）１では、光エネルギ測定ユニット６からの出力（測定結果）を読み込む。
【００４６】
ステップ２では、ステップ１で得た測定結果に基づいて、反射光学素子４ａの反射面で吸収される光エネルギと等価の熱荷重を抵抗体１１が発するように、該抵抗体１１への通電量（電流値）を算出する。
【００４７】
そして、ステップ３では、ステップ２で算出した電流値を抵抗体１１に印加する。
【００４８】
以上の処理を、任意の周期で繰り返すことで、反射光学素子４ａの熱変形歪の発生を抑えながら高画質の画像を投射することができる。
【実施例２】
【００４９】
図７には、本発明の実施例２であるプロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。
【００５０】
本実施例の加熱制御回路８′は、画像供給装置５０から画像入力端子１５を介して入力された画像信号（入力画像）の変化に応じて（追従して）、加熱ユニット７ａ〜７ｄから反射光学素子４ａ〜４ｄの非反射面に与える熱荷重を変化させる。画像信号の変化とは入力画像の画像強度変化のこと、言い換えれば、画像を投射する際に反射面に入射する光の強度変化のことである。すなわち、入力画像が、反射光学素子４ａに最も強い光が照射される全画面白色の画像である場合と、最も弱い光が照射される全画面黒色の画像の場合と、これらの中間調の画像の場合とで、加熱ユニット７ａ〜７ｄでの発熱量を高、低及び中程度に変更する。
【００５１】
このように、本実施例では、入力画像の変化に追従して、反射光学素子４ａ〜４ｄの非反射面に与える熱荷重を反射面側で吸収される光エネルギと等価となるように制御する。これにより、実施例１のような光エネルギ測定ユニットを用いることなく、反射光学素子４ａ〜４ｄの熱変形歪の発生を抑えることができる。つまり、実施例１に比べて、プロジェクタの構成をより簡略化して、コストをより低下させることができる。
【００５２】
図８には、本実施例における加熱制御回路８′の動作フローチャートを示す。ここでも、加熱ユニット７ａ〜７ｄに抵抗体１１を用いる場合について説明する。
【００５３】
ステップ１０１では、入力画像を読み込む。
【００５４】
ステップ１０２では、ステップ１０１で読み込んだ入力画像に応じた熱荷重を抵抗体１１が発するように、該抵抗体１１への通電量（電流値）を算出する。
【００５５】
そして、ステップ１０３では、ステップ１０２で算出した電流値を抵抗体１１に印加する。
【００５６】
以上の処理を、任意の周期で繰り返すことで、反射光学素子４ａの熱変形歪の発生を抑えながら高画質の画像を投射することができる。
【実施例３】
【００５７】
図９には、本発明の実施例３であるプロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付す。
【００５８】
実施例２でも説明したように、反射光学素子４ａに最も強い光が照射されるのは全画面白色の画像を投射する場合であり、最も弱い光が照射されるのは全画面黒色の画像を投射する場合である。但し、通常の用途では、このように極端に光強度が異なる画像が表示されることは少なく、これらの中間調の画像が大部分を占める。
【００５９】
そこで、本実施例では、中間調の画像投射時、つまり全画面白色画像の投射時に反射光学素子４ａの反射面で吸収される光エネルギの５０％の光エネルギと等価の熱加重を該反射光学素子４ａの非反射面に与え、かつ該熱荷重を一定に維持する。これにより、全画面白色や全画面黒色の画像を投射する際には最適な熱荷重ではないものの、通常の用途における大部分の画像の投射時において適切な熱荷重が非反射面に与えられることになる。したがって、大部分の画像の画質を良好とすることができる。
【００６０】
なお、全画面黒色画像の投射時における反射面で吸収される光エネルギと等価に熱荷重を設定した場合は、全画面白色画像又はこれに近い画像の投影時に画質劣化が大きくなる可能性が高い。これに対し、本実施例のように、中間調画像を基準に熱荷重を設定することで、全画面黒色画像、全画面白色画像及びこれらに近い画像における画質の劣化がバランスがとれているため、目立たず、実用上ほとんど問題とならない。
【００６１】
さらに好ましくは、映画のように暗いシーンを鮮明に投影することで鑑賞者に良好な印象を与える場合は、全画面白色画像の投射時に反射面で吸収される光エネルギの３０％の光エネルギと等価な熱加重を非反射面（反射面の反対側の面）に与えるとよい。特に反射面の反対側の面に熱荷重を与える場合は、反射面に対して加えられている熱荷重の分布と略同様の分布の熱荷重を与えることが望ましい。具体的には、反射面側で最も熱荷重の大きな領域の反対側の面には、反射面の反対側の面に加えられる熱荷重のうち最も大きな熱荷重を加えることが望ましい。反射面の反対側の面に対して熱荷重を加える領域は、反射面の光の入射領域の裏側の領域、すなわち反射面で熱荷重を受ける領域の裏側の領域とすることが望ましい。
【００６２】
これらのことから、反射光学素子４ａの反射面で吸収される光エネルギの最大値の３０％以上５０％以下の光エネルギと等価な（に相当する）熱荷重を反射光学素子４ａの非反射面（反射面の反対側の面）に与えるとよい。ここで最大値と言うのは反射面を同じ面積の複数の領域に区切ったときの一つの領域に与えられる熱荷重の最大値のことである。その最大値の３０％以上５０％以下の熱荷重を他の領域（熱荷重が最大の領域とは異なる領域）にも与えれば良い。勿論、最大値と各領域に加えられた熱荷重との差分の熱荷重を、各々の領域に与えるようにしてもよい。以上のことは、他の反射光学素子４ｂ〜４ｄも同様である。
【００６３】
本実施例によれば、中間調画像を基準として加熱ユニット７ａ〜７ｄから反射光学素子４ａ〜４ｄに与える熱荷重を一定に設定することで、実施例１で用いられている光エネルギ測定ユニット６及び加熱制御回路８を省くことができる。したがって、さらに構成が簡単で、安価なプロジェクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施例１であるプロジェクタの構成を示す側面図。
【図２】実施例における反射光学素子の構成を示す側面図。
【図３】実施例における反射光学素子の反射面での光強度分布を示す正面図。
【図４】実施例における反射光学素子の反射面での温度分布を示す正面図。
【図５】実施例における反射光学素子の非反射面での温度分布を示す正面図。
【図６】実施例１における加熱制御回路の動作を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施例２であるプロジェクタの構成を示す側面図。
【図８】実施例２における加熱制御回路の動作を示すフローチャート。
【図９】本発明の実施例３であるプロジェクタの構成を示す側面図。
【符号の説明】
【００６５】
１  光源
２  照明光学系（レンズユニット）
３  反射型表示パネル
４  反射光学素子
５  スクリーン
６  光エネルギ測定ユニット
７  加熱ユニット
８，８′  加熱制御回路
９  基板
１０  反射膜
１１  抵抗体
１２  熱伝導部材
１３  有効反射領域
【図１】
2008070526.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008070526.tif 000006
【図５】
2008070526.tif 000007
【図６】
2008070526.tif 000008
【図７】
2008070526.tif 000009
【図８】
2008070526.tif 000010
【図９】
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