(57)【要約】【課題】  輝度について広いダイナミックレンジを得ることができるとともに、高利用効率を向上することにより高輝度なプロジェクタを実現する。【解決手段】  ＤＭＤを用いて構成され、第１の偏光状態の照明光を変調する第１の光変調部と、プリズムより出射された第１の光変調部のオフ光を第２の偏光状態とする１／２波長板と、１／２波長板により第２の偏光状態とされた第１の光変調部のオフ光を均一化するライトトンネルと、第１のプリズムより出射された第１の光変調部のオン光とライトトンネルより出射された第１の光変調部のオフ光とを合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタによる合成光を変調する第２の光変調部と、第１の光変調部と第２の光変調部を共役とする第１のレンズ系と、ライトトンネルの出射端と第２の光変調部を共役とする第２のレンズ系と、を有する。【選択図】  図１
2017032631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏光状態の照明光を出射する光源と、
ＤＭＤを用いて構成され、前記照明光を変調する第１の光変調部と、
前記光源より出射された前記照明光を前記第１の光変調部に向けて反射し、該第１の光変調部の変調によるオン光とオフ光を異なる方向に向けて出射するプリズムと、
前記プリズムより出射された前記第１の光変調部のオフ光を第２の偏光状態とする１／２波長板と、
前記１／２波長板により第２の偏光状態とされた前記第１の光変調部のオフ光を均一化するライトトンネルと、
前記前記第１のプリズムより出射された前記第１の光変調部のオン光と前記ライトトンネルより出射された前記第１の光変調部のオフ光とを合成する偏光ビームスプリッタと、
ＤＭＤを用いて構成され、前記偏光ビームスプリッタによる合成光を変調する第２の光変調部と、
前記第１の光変調部と前記第２の光変調部を共役とする第１のレンズ系と、
前記ライトトンネルの出射端と前記第２の光変調部を共役とする第２のレンズ系と、
を有するプロジェクタ。
【請求項２】
請求項１記載のプロジェクタにおいて、
ＤＭＤを用いて構成され、前記ライトトンネルと前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、前記ライトトンネルより出射された前記第１のＤＭＤのオフ光を変調して前記偏光ビームスプリッタに向けて出射する第３の光変調部と、
前記ライトトンネルの出射端と前記第３の光変調部を共役とする第３のレンズ系と、
を有するプロジェクタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプロジェクタにおいて、
前記プリズムはＴＩＲプリズムであるプロジェクタ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプロジェクタにおいて、
前記第１の光変調部および第２の光変調部は単一のＤＭＤにより構成されているプロジェクタ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプロジェクタにおいて、
前記第１の光変調部および第２の光変調部は複数のＤＭＤにより構成されているプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＭＤを用いた光変調が行われるプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超高精細、かつ、大画面の映像システムや、フレームレートおよび色再現範囲の向上を目指した映像システムが提案されている。２０２０年には、４Ｋ放送や８Ｋ放送の普及によって、多くの視聴者がテレビで、また、パブリックビューイングで、世界各地でスポーツの感動が共有されることが予想され、映像システムは着実に高画質化の道を歩んでいる。
プロジェクタに関して言えば、高精細化に関しては、使用する空間光変調器であるマイクロディスプレイの進化により着実に高精細化がなされている。その一方、輝度についてより広いダイナミックレンジを持つプロジェクタが望まれており、それを実現する光変調を２回行う技術が例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されるような技術は、液晶やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ：デジタル  マイクロミラー  デバイス）、あるいは（Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ：リキッド  クリスタル  オン  シリコン）などの空間光変調器を持つ第１の光変調部と、同じく液晶やＤＭＤ、あるいはＬＣＯＳを有する第２の光変調部を備えている。第１の光変調部では、表示すべき画像に対応する画像データに基づいて光源からの光を変調（１次光変調）してＲＧＢの各色の画像光を合成して出力する。合成された画像光はリレーレンズ系を用いて第２の光変調部の光変調器に重畳され、第２の変調部によりさらに画像光が変調されて（２次光変調）結像する。このように、２度に亘る光変調が行われるので、輝度について広いダイナミックレンジが得られる。
【０００３】
単一のＤＭＤを用いた単板型のＤＬＰプロジェクタが知られている。この種のプロジェクタでは、白色光源からの白色光がカラーホイールによりＲＧＢの３色に分解される。ＲＧＢの各色光は時分割で単一のＤＭＤに照射される。ＤＭＤは照射されている色光に同期した画像を形成するように制御され、形成された画像を拡大投射することによって拡大されたカラー画像が得られる。このように、構成が非常にシンプルであるという長所がある。
ここで、この単板型のＤＬＰプロジェクタを基本とし、第２の変調部を追加することで２重変調を可能とする広いダイナミックレンジを持つプロジェクタを構成することが可能であると考える。この場合、追加の変調部には単一のＤＭＤ表示素子を用いることができる。第１、第２の光変調部ともに１個のＤＭＤ表示パネルで済むことから、光学系の構成としては複雑にならないという期待が持てる。このことは、装置全体も小型化することが出来、なによりコストが安くなる可能性も備えている。
【０００４】
特許文献２および３には、ＤＭＤのオフ光を再利用して高輝度化や高効率化を図る技術が開示されている。
特許文献２および３に開示されるいずれの技術も、単一のＤＭＤ表示パネルを用いたＤＬＰプロジェクタなので、ＤＭＤのオフ光についてはオン光とは別光路を準備されたあと、再度ＤＭＤに照射される構成が採用されている。
特許文献２に開示される技術においては、光束の照度分布を均一化するような光学素子が特に設けられていないので、実用的にはオフ光の不均一な照度分布の光で再度ＤＭＤ表示パネルの照明が実施されることになる。従って、投射画像の輝度分布の均一性に課題がある。
また、特許文献３に第１の実施例として開示される技術では、回収したオフ光を再度、ロッドインテグレータに入射させる構成が採用されているが、もともとの光源ランプの集光光学系と、回収オフ光のロッドインテグレータへの集光光学系の配置関係によりエテンデュが増加してしまう。このように、高輝度を目指しているにも関わらず、光利用率の低下、すなわち高輝度化ができないという課題がある。また、特許文献３に第３の実施例として開示される技術では、オフ光が一旦光源の発光部付近にまで戻る構成が採用されていることから、エテンデュの増加はないものの、光を再利用するための過程に用いるレンズなどの光学素子の数が多く、各光学素子による透過率損失（光損失）が無視できず、思ったよりもオフ光の再利用の効果が発揮できないことが懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−９０４９６号公報
【特許文献２】特開平１０−８２９５９号公報
【特許文献３】特開２００３−１２１９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した各文献に開示される技術は様々な利点を備えるものの、輝度についての広いダイナミックレンジ、高利用効率の向上、また、これによる高輝度を同時に実現するものではなかった。
本発明は、輝度について広いダイナミックレンジを得ることができるとともに、高利用効率を向上することにより高輝度なプロジェクタを実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるプロジェクタは、第１の偏光状態の照明光を出射する光源と、
ＤＭＤを用いて構成され、前記照明光を変調する第１の光変調部と、
前記光源より出射された前記照明光を前記第１の光変調部に向けて反射し、該第１の光変調部の変調によるオン光とオフ光を異なる方向に向けて出射するプリズムと、
前記プリズムより出射された前記第１の光変調部のオフ光を第２の偏光状態とする１／２波長板と、
前記１／２波長板により第２の偏光状態とされた前記第１の光変調部のオフ光を均一化するライトトンネルと、
前記前記第１のプリズムより出射された前記第１の光変調部のオン光と前記ライトトンネルより出射された前記第１の光変調部のオフ光とを合成する偏光ビームスプリッタと、
ＤＭＤを用いて構成され、前記偏光ビームスプリッタによる合成光を変調する第２の光変調部と、
前記第１の光変調部と前記第２の光変調部を共役とする第１のレンズ系と、
前記ライトトンネルの出射端と前記第２の光変調部を共役とする第２のレンズ系と、
を有する。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成を備える本発明のプロジェクタは、輝度について広いダイナミックレンジを得ることができ、高利用効率が向上し、高輝度が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の光学系の構成を示す図である。
【図２】図１中の光源１１の構成を示す図である。
【図３】図２中の偏光変換素子２０３の構成を示す図である。
【図４】図１中のプリズム１０１の構成を示す図である。
【図５】本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の光学系の構成を示す図である。
【図６】固体光源を用いる光源１１‘の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
第１の実施形態
図１は本発明によるプロジェクタの第１の実施形態の光学系の構成を示す図である。
本実施形態は、光源１１と、プリズム１０１と、第１のＤＭＤ１０２と、１／２波長板１０９と、レンズ１０３、レンズ１１０と、反射ミラー１１１と、レンズ１１２、１１３と、ライトトンネル１１４と、反射ミラー１１５と、レンズ１１６、１１７と、偏光ビームスプリッタ１０４と、レンズ１０５と、プリズム１０７と、第２のＤＭＤ１０６と、投射レンズ１０８と、を備える。
本実施形態のプロジェクタには上記の光学系の他に、映像信号を受け付けて第１のＤＭＤ１０２および第２のＤＭＤ１０６に表示を行わせる画像生成部、電源部、冷却部等が設けられるが、図１には光学系の要部のみを示している。
本実施形態のプロジェクタは、２つの空間光変調器が光学的に直列に設けられたもので、変調が２重に行われる２重変調構成のプロジェクタである。
【００１１】
光源１１は偏光方向が揃ったＲ、Ｇ、Ｂの色光を時分割で射出する。また、光源１１は光学系を備えている。図２は光源１１の構成を示す図である。光源１１は図２に示すように、光源２０１と、フライアイレンズ２０２と、偏光変換素子２０３と、レンズ２０４、２０５と、カラーホイール２０６と、ライトトンネル２０７と、レンズ２０８、２０９を備えている。
光源２０１としては、白色光を発光する高輝度放電ランプを用いることが出来る。この種のランプは一般的に反射鏡と組み合わせて利用される。フライアイレンズ２０２は複数の微小レンズを備えた構成で、素材としては光学ガラスが使用されている。
偏光変換素子２０３は、商用の液晶プロジェクタでほぼ必須に用いられている素子である。図３に略図を示すように、２つの偏光ビームスプリッタ３０１、３０２を１組として一方の偏光ビームスプリッタ（図３に示す例では偏光ビームスプリッタ３０２）の射出部近傍に設けられた１／２波長板３０３を備えている。このような構成とすることで、入射光が非偏光光であっても、射出光はＰ偏光あるいはＳ偏光に統一される。本実施形態においては、偏光変換素子２０３は、Ｐ偏光が射出されるように作用する。
【００１２】
再び図２を参照して説明する。レンズ２０４、２０５はレンズ系を構成するものであり、レンズ系を構成するレンズの枚数は２枚でなくとも構わない。
カラーホイール２０６は単板型のＤＬＰプロジェクタで一般的に使用される光学部品である。カラーホイール２０６は、ガラスなどの円板形状の基板に、Ｒ、Ｇ、Ｂ、場合によっては透明の光を透過するような薄膜のフィルタが形成されたもので、モータにより回転駆動される。
ライトトンネル２０７は４つのミラーが内壁を構成するように中空に構成された角柱状のもので、内壁を構成するミラーの反射を利用して照度分布などを均一化する。レンズ２０８、２０９はレンズ系である。
【００１３】
再び図１を参照して説明する。
プリズム１０１は３つのプリズムを組み合わせたＴＩＲ（全反射）作用を利用したプリズムである。その構成としては図４に示すように、プリズム４０１とプリズム４０２とプリズム４０３とを微小空気間隔を持つように一体化させたプリズムであって、この空気間隔のおかげで入射した光を第１のＤＭＤ１０２の方向へ反射させている。
第１のＤＭＤ１０２は米テキサスインスツルメント社が開発した２次元のミラーアレイデバイスで、大きさ数μ四方の、画素数分の微小ミラーを備えたマイクロディスプレイである。
プリズム１０１は、第１のＤＭＤ１０２のミラーのＯＮ状態の光とＯＦＦ状態の光とを確実に分離して異なる方向に向かうものとしている。ＯＮ状態の光（以下、オン光）についてはレンズ１０３に向かう光とし、ＯＦＦ状態の光（以下、オフ光）については波長板１０９に向かう光とする。
レンズ１０３はレンズ系を構成するもので、図１には１枚しか描かれていないが、複数枚により構成されるものとしても良い。
【００１４】
偏光ビームスプリッタ１０４はＰ偏光の光とＳ偏光の光を合成して１つにするために使用した。米モックステック社が提供しているワイヤグリッド型を使用したが、この他にも、誘電体多層膜を接合面に形成した２つのプリズムを張り合わせた一般的な偏光ビームスプリッタプリズムを使用することもできる。
レンズ１０５はレンズ系を構成するものである。図視されるような１枚の構成に限られるものではなく枚数に制限がある訳でない。レンズ１０３、レンズ１０５で構成される光学系は、第１のＤＭＤ１０２と第２のＤＭＤ１０６が共役の関係となるように構成されている。これは構成するレンズの焦点距離や、間隔を所定の緒元とすることで達成できる。
１／２波長板１０９は偏光方向を９０度回転させる作用があり、１／２波長板１０９によりＰ偏光をＳ偏光に変換できる。
レンズ１１０はレンズ系を構成する。
反射ミラー１１１はアルミや誘電多層膜をガラス基板に蒸着したものを用いた。
【００１５】
ライトトンネル１１４はミラーが内壁を構成するように中空に構成された角柱状のもので、内壁を構成するミラーの反射を利用して照度分布などを均一化するインテグレータなどと呼ばれる光均一化素子である。ミラー（反射面）としては銀やアルミ蒸着を利用できる。
レンズ１１２、１１３はレンズ系を構成する。レンズ１１０、レンズ１１２、および、レンズ１１３とでライトトンネル１１４の入射端に集光するような光学特性になるように各レンズの焦点距離や間隔などが設計されている。
反射ミラー１１５は反射ミラー１１１と同様である。
レンズ１１６、１１７はレンズ系を構成するもので、２枚以外の構成でも構わない。レンズ１１６、１１７とレンズ１０５はライトトンネル１１４の射出端と第２の空間光変調器１０６とが共役の結像関係になるように、各々のレンズの緒元が決定されている。
【００１６】
プリズム１０７は、プリズム１０１と同様に周知技術のＤＬＰプロジェクタに実用化されているプリズムであってＴＩＲ（全反射）を利用している。単にＴＩＲプリズムと呼ばれることもある。
第２のＤＭＤ１０６は第１のＤＭＤ１０２と同様に米テキサスインスツルメント社が開発した２次元のミラーアレイデバイスであるが、第１のＤＭＤ１０２と全く同じＤＭＤを用いる必要はない。一般に、２重変調のプロジェクタでは解像度に関しては２度目に空間光変調を行う第２の空間光変調器の方が最初に空間光変調を行う第１の空間光変調器よりも高精細であることが好ましいが、それは本実施形態においても同様である。
投射レンズ１０８は第２の空間光変調器１０６の画像を不図示のスクリーンに拡大投射するためのものである。
【００１７】
動作の説明
次に、本実施形態の動作について説明する。
図２に示すように放電ランプの光源２０１で発光した非偏光の光は、反射鏡の作用で略平行光に変換され、その状態でレンズアレイ２０２に入射する。そのあとでレンズアレイ２０２の焦点距離に応じた形状の光束が離散的に集光する訳であるが、その収束部付近には偏光変換素子２０３が配置されている。本実施形態では、偏光変換素子２０３によりＰ偏光光に統一されて射出し、その後、レンズ２０４とレンズ２０５によってライトトンネル２０７の入射端に集光される。
レンズ２０４とレンズ２０５の集光部付近にはカラーホイール２０６が配備されており、カラーホイール２０６の回転に応じて、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光のいずれかが選択されて時分割に出射される。なお、カラーホイールの緒元に応じてはＲ、Ｇ、Ｂ、Ｗ（ホワイト）やＹ（イエロー）などいろいろとアレンジ可能である。カラーホイール２０６から時分割に出射される色光は、ライトトンネル２０７内で反射を繰り返し、均一な光となってライトトンネル２０７の射出端に達する。その後、レンズ２０８やレンズ２０９で構成されるレンズ系によりプリズム１０１へ供給される照明光１００１となって光源１１から射出する。つまり、光源１１により、偏光方向がＰ偏光に統一された時分割に出射されるＲ、Ｇ、Ｂの照明光１００１が得られる。
照明光１００１はプリズム１０１へと侵入する。プリズム１０１は図４に示したように３ピース構成とされており、全反射により第１のＤＭＤ１０２の照明光として光を曲げる作用のみならず、第１の空間光変調器１０２のオフ光をオン光とは９０度以上別の方向に屈折できる全反射面を備えている。このような３ピース構成で接合面に空気間隔を持たせたプリズムを製造することは可能である。
第１のＤＭＤ１０２には、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光が時分割で照射される。第１のＤＭＤ１０２は、照射される色光に応じた光変調（信号処理）を行い、オン光１００２はレンズ１０３、偏光ビームスプリッタ１０４へ向かう。ここでオン光１００２はＰ偏光である。なぜなら、光源１１から出射して第１のＤＭＤ１０２を照明する光はＰ偏光だからである。
【００１８】
第１のＤＭＤ１０２のオフ光は、プリズム１０１の射出面近傍に配置されている１／２波長板１０９により偏光方向がＰ偏光からＳ偏光１００３に変換される。このＳ偏光１００３は、レンズ１１０、１１２、１１３により集光される。各レンズによる集光工程の間には、反射ミラー１１１による進行方向の変更が含まれており、集光部付近にはライトトンネル１１４が配置されている。
第１のＤＭＤ１０２のオフ光は、Ｓ偏光１００３に変換され、集光された後に、ライトトンネル１１４により光の照度分布が均一化され、射出端面に２次光源を形成する。この２次光源は、第２のＤＭＤ１０６の表示面積と相似の矩形のものであることが好ましい。
ライトトンネル１１４を射出したＳ偏光１００３は反射ミラー１１５によって進行方向が変更され、レンズ１１６、１１７を通って、偏光ビームスプリッタ１１４へ到着する。偏光ビームスプリッタ１０４は、光学的な作用として、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するような特性を備えるものであり、Ｓ偏光を反射する反射面に、レンズ１１６、１１７を通ったＳ偏光１００３が４５度の角度をもって入射するように配置されている。また、偏光ビームスプリッタ１１４は、第１のＤＭＤ１０２のオン光であるＰ偏光の光線１００２と第１のＤＭＤ１０２のオフ光であるＳ偏光１００３とを同じ経路に合成してＰ偏光とＳ偏光とが加算された光線１００４を得られるように配置されている。なお、ライトトンネル１１４の射出面と第２のＤＭＤ１０６とはレンズ１１６、１１７、１０５により光学的に共役の関係となるように、各々のレンズの緒元が定められている。
【００１９】
上記のようにして第１のＤＭＤ１０２のオン光およびオフ光により光線１００４が合成され、第２のＤＭＤ１０６を照明する。第２のＤＭＤ１０６で変調された画像はプリズム１０７を透過し、投射レンズ１０８で拡大投射される。
ここで、第１のＤＭＤ１０２のオン光に関しては、第２のＤＭＤ１０６で変調されることにより、第１のＤＭＤによる変調と合計して２回の変調を経験することとなる。これにより非常にダイナミックレンジの優れた投射画像を作り出す。
また、第１のＤＭＤ１０２のオフ光は、一旦集光されて２次光源として機能し、この２次光源の光を第２のＤＭＤ１０６の照明光として利用しているので、光の無駄の非常に少ない実用的な光学系が実現される。
このように、第１のＤＭＤ１０２のオン光およびオフ光のいずれも有効利用されたた光学系を形成できるので、非常に光利用率の良い、省エネの、投射画質の良好なプロジェクタを提供できる。
【００２０】
第２の実施形態
図５は、本発明によるプロジェクタの第２の実施形態の光学系の構成を示す図である。
本実施形態は、図１に示した第１の実施形態の構成に第３のＤＭＤ５０２を設けたものである。このため、図５において、第１の実施形態と同様の構成要素には図１と同じ符号を付して説明は省略する。
本実施形態は、光源１１と、プリズム１０１と、第１のＤＭＤ１０２と、波長板１０９と、レンズ１０３、レンズ１１０と、反射ミラー１１１と、レンズ１１２、１１３と、ライトトンネル１１４と、レンズ５０１と、第３のＤＭＤ５０２と、プリズム５０３と、レンズ５０４と、偏光ビームスプリッタ１０４と、レンズ１０５と、プリズム１０７と、第２のＤＭＤ１０６と、投射レンズ１０８と、を備える。本実施形態も第１の実施例と同様に、２つの空間光変調器が光学的に直列に設けられて変調が２重に行われるプロジェクタを基本としている。
上記のように、本実施形態では、図１に示した第１の実施形態に、レンズ５０１，５０４、第３のＤＭＤ５０２、プリズム５０３を設けたものである。
【００２１】
レンズ５０１はライトトンネル１１４の射出端と第３のＤＭＤ５０２が共役の結像関係になるように、緒元が定められたレンズ系である。図５にはレンズ５０１の１枚構成のものが示されているが、レンズ系として、複数枚の物で構成されているものとしてもよい。
プリズム５０３は、プリズム１０１、１０７と同様に周知技術のＤＬＰプロジェクタに実用化されているプリズムであってＴＩＲ（全反射）を利用している。単にＴＩＲプリズムと呼ばれることもある。
第１のＤＭＤ１０２と第３のＤＭＤ１０３とは同じ仕様のＤＭＤを用いることができる。さらにこれらのＤＭＤは第２のＤＭＤ１０６であるＤＭＤよりも解像度の点で高精細である必要は必ずしもない。
レンズ５０４はレンズ５０１とともに第３のＤＭＤ５０２と第２のＤＭＤ１０６を所定の結像関係とするために設けられたレンズ系を構成する。
【００２２】
次に、本実施形態の動作について説明する。
光源１１からのＰ偏光光が第１のＤＭＤ１０２に到達する。第１のＤＭＤ１０２のオン光に関する動作は第１の実施形態と同様であるので、ここでは詳しく説明することはしない。基本的にはオン光は第２のＤＭＤ１０６でさらに光変調され、ダイナミックレンジの極めて良好な画像が拡大投射される。
第１のＤＭＤ１０２でのオフ光であるが、第１の実施形態では、オン光とは別系統の光学系でオフ光を捕捉し、ライトトンネルや所定の光学系を用いて２次光源化した上で、オン光の光学経路と合流させて第２のＤＭＤ１０６の照明光として利用していた。
それに対して、本実施形態では、一旦捕捉し、２次光源化したオフ光を、さらに別のＤＭＤである第３のＤＭＤ５０２に照射する。ＤＭＤ５０２で光変調が施されたオン光を偏光ビームスプリッタ１０４により第１のＤＭＤ１０２のオン光と合流させて第２のＤＭＤ１０６の照明光としている。もちろん、第３のＤＭＤと第２のＤＭＤはレンズ５０４や１０５とで構成されるレンズ系で所定の結像関係とされているので、第３のＤＭＤ５０２と第２のＤＭＤ１０６とは光学的には直列な二重光変調を構成していることになる。
したがって、これにより投射される画像に関しても非常にダイナミックレンジの良好な画像である。つまり、第１のＤＭＤ１０２のオン光、オフ光のいずれについても二重変調が実施されることとなり、ダイナミックレンジの極めて良好な高画質を実現している。
このように、第１のＤＭＤ１０２のオン光を二重変調によりダイナミックレンジの大きな画像を得るだけでなく、従来はＤＭＤで光損失していたオフ光に関しても光捕捉した上で追加された第３のＤＭＤ５０２への照明光として利用し、かつ、追加された第３のＤＭＤ５０２で光変調された画像も二重変調して投射画像を得ているので、非常に省エネで光利用率の高い、ダイナミックレンジの良好な高画質のプロジェクタを実現できる。
【００２３】
ところで、光源１１には放電ランプを用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、固体光源を用いることも可能である。このような光源について以下に説明する。
図６は、固体光源を用いる光源１１‘の構成を示す図である。
光源１１‘は、それぞれ複数のレーザー素子からなるレーザー光源６０１および６０２と、ダイクロイックミラー６０３と、レンズ６０４、６０５と、蛍光ホイール６０６と、フライアイレンズ６０７と、偏光変換素子６０８と、レンズ６０９、６１０と、カラーホイール６１１と、ライトトンネル６１２と、レンズ６１３、６１４を備える。
レーザー光源６０１、６０２を構成するレーザー素子としては、例えば青色を発光する半導体レーザーを用いることが出来る。このようなレーザー光源の入手は容易である。レーザー光源は、単一でも複数でも構わない。またレーザー光源６０１と６０２は、発光する光の波長や出力などの仕様に関して全く同じでも良く、また異なっていても構わない。さらに、レーザーから射出するビームの平行性を増加させるために、個別のレーザーの直後にレンズを付加することも可能であり、このような構成としてもよい。
レンズ６０４、６０５はレンズ系であって必ずしも２枚が最適という訳ではない。蛍光ホイール６０６は、最近の商用の固体光源プロジェクタに一般的に採用されている技術であって、モータにより回転可能な円形の基板上に蛍光体が定着さており、青色などの励起光の照射により蛍光を発生する。さらに、この蛍光ホイール６０６は、基板と蛍光体とが密着している面に反射層が形成されている構造となっている。ダイクロイックミラー６０３は、青の帯域の光を反射し、そのほかの可視光を透過する特性を備える。
フライアイレンズ６０７、偏光変換素子６０８、カラーホイール６１１、ライトトンネル６１２、レンズ６１３および６１４は、図２に示したフライアイレンズ２０２、偏光変換素子２０３、カラーホイール２０６、ライトトンネル２０７、レンズ２０８および２０９と同様であるため、説明は省略する。
【００２４】
次に、光源１１´の動作について説明する。
レーザー光源６０２は青色（以下、Ｂ色）の波長のレーザー光を出射する。このレーザー光は、ダイクロイックミラー６０３で反射され、レンズ６０４、６０５からなるレンズ系に入射する。蛍光ホイール６０６はこれらのレンズ系と所定の間隔を空けて設置されている。なお、レンズ系はほぼ平行な入射光に対して蛍光ホイール６０６の蛍光体が形成してある面上に集光するように設計されている。このため、励起光であるレーザー光は蛍光ホイール６０６上に集光するように照射され、照射位置で蛍光が発生する。
蛍光ホイール６０６の蛍光体にはＹＡＧ系の材料が使用されている。従って蛍光としては黄色（以下、Ｙ色）の蛍光が得られる。この蛍光は、レンズ６０５、６０４により略平行光となってダイクロイックミラー６０３を透過してフライアイレンズ６０７に入射する。また、Ｂ色を出射するレーザー光源６０１からの青光がダイクロイックミラー６０３により反射して、Ｙ色の蛍光と合わせてフライアイレンズ６０７に入射する。この後の動作は、図２を用いて説明した光源１１と同様である。簡単に言うと、フライアイレンズ６０７には固体光源で形成されたＹ色とＢ色とが混合されて白色光として入射し、偏光変換素子６０８でＰ偏光に統一されて、その後、レンズ６０９、６１０で構成されるレンズ系で集光される。集光部付近にはカラーホイール６１１とライトトンネル６１２が設けられており、カラーホイール６１１でＲ、Ｇ、Ｂの光が時分割に生成される。Ｒ、Ｇ、Ｂの各光は、ライトトンネル６１２内部の繰り返し反射によりライトトンネル６１２の射出端に到達したときには照度均一な光とされ、その後、レンズ６１３および６１４を通って射出光となる。
【００２５】
光源１１´のように、励起光のためのレーザー光源６０２と、Ｂ色照明光のためのレーザー光源６０１を備えることで、光源の省エネルギー化も推進できる。すなわち、レーザー光源は必要なときにだけ点灯させれば良い。レーザー光源６０２により発生する蛍光も、レーザー光源６０１より出射されるＢレーザー光も、カラーホイール６１１により時分割的に色選択されるので、選択されていない色に関係するレーザー光源は、消灯することができる。具体的にはカラーホイール６１１で緑色（Ｇ色）または赤色（Ｒ色）が選択されているときにはレーザー光源６０２を点灯し、レーザー光源６０１は消灯する。カラーホイールでＢ色が選択されるときにはレーザー光源６０２は消灯し、レーザー光源６０１を点灯することにより不要なレーザー光源が点灯することがなくなり、省エネルギー化を図ることができる。
【００２６】
上記のように固体光源で光源を構成することにより、光源の消費電力が良好で、しかも光源の寿命特性を格段に向上させることができる。
光源１１については、Ｐ偏光を出射するものとしたが、Ｓ偏光を出射するように構成することもできる。この場合、第１のＤＭＤ１０２のオフ光はＰ偏光とされ、偏光ビームスプリッタ１０４はＰ偏光のオフ光を通過させ、Ｓ偏光のオン光を反射させてこれらの光を合成することとなる。プリズム１０７および第２のＤＭＤ１０６は偏光ビームスプリッタ１０４の合施行の出射方向に合わせて配置される。
第１の実施形態、第２の実施形態ともに、光源１１からの光が単一のＤＭＤ１０２に入射する構成が採られている。この第１のＤＭＤ１０２が機能する箇所を第１変調部と呼び、投射レンズに近い側の第２のＤＭＤ１０６が機能している箇所を第２変調部と呼ぶことにする。第１光変調部と、第２光変調部は、必ずしも単一のＤＭＤを使うことに限定されない。すなわち、第１変調部を２個ないし３個のＤＭＤで構成することが可能である。この場合には、周知技術の色分解・合成プリズムなどを利用することができる。
【００２７】
上記の第１の実施形態によるプロジェクタは、ＤＭＤを空間光変調に用いる第１変調部と第２変調部で二重に変調を行うことを基本とし、第１変調部で光変調されたオン光に対して第２変調部でさらに光変調することにより、輝度のダイナミックレンジが増大した高画質な画像を実現している。
しかも、第１変調部での光変調の際に、従来利用されていなかったＤＭＤのオフ光に関しても、別系統で設けられた光学系により捕捉し、さらに２次光源化した上で、その光源からの光を照明光として第２光変調部のＤＭＤの照明光に利用している。従って、光利用率の高い、省エネのプロジェクタを実現している。また、この第１変調器のＤＭＤのオフ光利用の工程においては、偏光ビームスプリッタを用いてオン光とオフ光の光学経路を一致させたあとに第２変調部の照明光としているので、光学系がコンパクトになるという効果がある。
また、第１の実施形態においては、第１のＤＭＤ１０２と第２のＤＭＤ１０６を共役とするレンズ系と、ライトトンネル１１４の出射端と第２のＤＭＤ１０６を共役とするレンズ系を備え、第２の実施形態においては、さらに、ライトトンネル１１４の出射端と第３のＤＭＤ５０２を共役とするレンズ系を備えることによりエテンデュが増加することがなく、高輝度化が実現されている。
【００２８】
また、単板型のＤＬＰプロジェクタではカラーホイールによるＲ、Ｇ、Ｂの色光の時分割的な生成において、フレーム周波数をアップさせることがカラーブレーキングの低減に有効であると言われている。即ち、カラーホイールの回転周波数で決まる色切り替え速度を非常に速くすれば良いということである。
プロジェクタの白色形成においてはＲ、Ｇ、Ｂ光量比率としてはＢ色の占める割合が最も小さいというのが一般的である。一方で、ＤＭＤの駆動原理としては画素ミラーの傾斜の繰り替え周波数、すなわち期間あたりの画素ミラーの傾斜回数によるＰＷＭ駆動で階調を実現している。このことは、他の色に比べて表示期間の最も短いＢ色に関して、フレーム周波数のアップに起因する表示期間の短縮は階調性能の劣化につながることを意味している。
２重変調の構成をとらない単板型のプロジェクタでは、単一のＤＭＤでの階調表示であるからフレーム周波数の増加はＤＭＤのミラーの応答時間で制限を受ける。しかしながら、本発明の第１の実施形態は２重変調方式であるため、もし、フレーム周波数を増加し、Ｂ色の表示期間が短くなろうとも２度の変調を行うことで実用上良好なカラーブレーキング低減効果が期待できる。
さらに、第２の実施形態に示したように、第１変調部のＤＭＤのオフ光の光捕捉後に追加のＤＭＤで光変調する光学系統を構成することで、オン光とオフ光の両方の光に対して二重変調光学系を構成できるので、投射画像は極めてダイナミックレンジが良好で、かつ、光利用率の高い、すなわち明るく、きれいで、省エネルギー化されたプロジェクタを実現できるという効果がある。
【符号の説明】
【００２９】
１１    光源
１０１、１０７、５０３、５０４    プリズム
１０２    第１のＤＭＤ
１０３、１０５、１１０、１１２、１１３、１１６、１１７、４０１、４０２、４０３    レンズ
１０４、３０１、３０２    偏光ビームスプリッタ
１０６    第２のＤＭＤ
１０８  投射レンズ
１０９、３０３    １／２波長板
１１１、１１５    反射ミラー
１１４、２０７    ライトトンネル
２０１    放電ランプ
２０２    フライアイレンズ
２０３    偏光変換素子
２０４、２０５、２０８、２０９    レンズ
２０６    カラーホイール
５０２    第３のＤＭＤ
【図１】
2017032631.tif 000003
【図２】
2017032631.tif 000004
【図３】
2017032631.tif 000005
【図４】
2017032631.tif 000006
【図５】
2017032631.tif 000007
【図６】
2017032631.tif 000008