(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源から射出された光束を通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを透過した光束が入射する高入射角グラントムソンプリズムと、該高入射角グラントムソンプリズムを通過した光束を反射する凹反射面を持つ第１ミラーと、前記第１ミラーの反射光束の集束位置付近に配置された第２ミラーと、前記第２ミラーの反射光束を受光する反射型液晶パネルと、該反射型液晶パネルの反射光束が通過する投射レンズとを有し、前記高入射角グラントムソンプリズムが、前記第２ミラーの反射光束と前記反射型液晶パネルの反射光束の間に配置されていることを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
上記第１ミラーが、球面又は非球面の凹表面鏡又は凹裏面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項３】
上記第２ミラーが、球面又は平面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項４】
前記高入射角グラントムソンプリズムが、カルサイト（方解石）の偏光分離型グラントムソンプリズムを使用し、そのＬ／Ａ比を３以上のものとしたことを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項５】
前記高入射角グラントムソンプリズムが、その後方にウェッジプリズムを配置したことを有することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項６】
前記光源と前記第１ミラーを結ぶ光軸が、基準水平線に対し５ないし１５度傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
【請求項７】
ハウジング内に、光源と、該光源から射出された光束を通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを透過した光束が入射する高入射角グラントムソンプリズムと、該高入射角グラントムソンプリズムを通過した光束を反射する凹反射面を持つ第１ミラーと、前記第１ミラーの反射光束の集束位置付近に配置された第２ミラーと、前記第２ミラーの反射光束を受光する反射型液晶パネルと、該反射型液晶パネルの反射光束が通過する投射レンズとを有し、前記高入射角グラントムソンプリズムが、前記第２ミラーの反射光束と前記反射型液晶パネルの反射光束の間に配置されていることを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術的分野】
本発明は、反射型液晶パネルである電子デバイスによって映像を形成する投射型プロジェクタ等の投影装置及びその光学系に関する。
【０００２】
【従来技術】
現在のシネマ上映用及びプレゼンテーション用プロジェクターの高解像度、高画質化への市場の要求はより高まっている。同時にプロジェクター本体のポータブル化への要求も大きい。
現状において、液晶プロジェクターの基本仕様として、シネマ上映用としては一般に３枚の液晶パネル又は３枚のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＭＤ(Digital Micro mirror Device)を表示パネルとして使用している。ビジネス用やローコストな機種においては、単板の透過型液晶パネル又は単板のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＭＤを採用したものが多く見受けられる。特に最近デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＭＤに関しては、照明光学系がシンプルに構成でき、しかもＤＭＤ特有の冷却効率に優れていることから、搭載する機種が出現している。しかし、構成部品の製造コストが高く、デジタル・マイクロミラー・デバイス方式プロジェクターの早い時期の普及は望めない。
【０００３】
合理的な製造コストが可能で普及を望める反射液晶パネルＬＣＯＳ（ Liquid Crystal on Silicon ）を採用した投射型プロジェクタ等の投影装置が、提案されている。
【０００４】
従来技術の反射型液晶パネルを使用した投影装置１００は、３枚の反射型液晶パネルを使用するものであって、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の白色光源ランプ１０２から放射されたＰ偏光及びＳ偏光を含む白色光束が、インテグレータ１０４によって均一化され、マルチ偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。マルチ偏光ビームスプリッタ１０６は、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して透過させ、Ｐ偏光をそのまま透過させるさせる作用を持ち、従ってマルチ偏光ビームスプリッタ１０６はＰ偏光のみを射出する。マルチ偏光ビームスプリッタ１０６から射出したＰ偏光光束は、全反射ミラー１０８によって反射され、赤色のみ透過させる第１ダイクロイックミラー１１０によって反射及び透過される。
【０００５】
第１ダイクロイックミラー１１０によって反射されたＰ偏光緑色青色光束は、緑色のみ反射する第２ダイクロイックミラー１１２によって反射されてＰ偏光緑色光束となって、Ｐ偏光光束のみ反射及び透過する第１偏光ビームスプリッタプリズム１１４に入射する。第１偏光ビームスプリッタプリズム１１４によって反射されたＰ偏光緑色光束は、緑色用反射型液晶パネル１２０に入射して反射され、緑色映像光束となって第１偏光ビームスプリッタプリズム１１４、及び赤色反射膜１２２及び青色反射膜１２４を有する第３ビームスプリッタプリズム１２６を透過して、投影レンズ１３０に入射する。
【０００６】
第２ダイクロイックミラー１１２を透過したＰ偏光青色光束は、Ｐ偏光光束のみを反射及び透過する第３偏光ビームスプリッタプリズム１３２によって反射されたＰ偏光青色光束は、青色用反射型液晶パネル１３４に入射して反射され、青色映像光束となり、第３偏光mビームスプリッタプリズム１３２を透過し、第３ビームスプリッタプリズム１２６に入射する。青色映像光束は、第３ビームスプリッタプリズム１２６の青色反射膜１２４によって反射され、投影レンズ１３０に入射する。
【０００７】
第１ダイクロイックミラー１１０を透過したＰ偏光赤光束は、全反射ミラー１４０によって反射され、Ｐ偏光光束のみ反射及び透過する第４偏光ビームスプリッタプリズム１４２に入射する。第４偏光ビームスプリッタプリズム１４２によって反射されたＰ偏光赤色光束は、赤色用反射型液晶パネル１４４に入射して反射され、赤色映像光束となる。赤色映像光束は、第４偏光ビームスプリッタプリズム１４２を透過し、第３ビームスプリッタプリズム１２６に入射する。赤色映像光束はさらに、第３ビームスプリッタプリズム１２６の赤色反射膜１２２によって反射され、投影レンズ１３０に入射する。
【０００８】
前記緑色映像光束、青色映像光束、及び赤色映像光束は、投影レンズ１３０に入射して合成され、スクリーン（図示せず）に投影され、観察者によって所定の色彩の像が観察される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の反射型液晶パネルを使用した投影装置は、さらにコンパクト化すなわち体積利用効率の向上、光源光量利用率の向上、低コスト化、品質安定化が望まれている。その対応策の一つとして、単一反射型液晶パネルを使用した撮影装置が提案されているが、体積利用効率はまだまだ低く、部品点数が多い問題が残っている。この原因の一つとして、反射型液晶パネルの照明光の入射角は、例えば２０°以内とかなり制限されており、設計に大きな限定を与えている。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、従来の電子デバイスによって映像を形成する投射型プロジェクタ等の投影装置及びその光学系における上述した問題点に鑑みてなされたものであって、全体的にコンパクトすなわち体積利用効率が高く、部品点数が少なく、光源光量効率の高い投影光学系及び投影装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決する手段】
本発明は、光源と、該光源から射出された光束を通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを透過した光束が入射する高入射角グラントムソンプリズムと、該高入射角グラントムソンプリズムを通過した光束を反射する凹反射面を持つ第１ミラーと、前記第１ミラーの反射光束の集束位置付近に配置された第２ミラーと、前記第２ミラーの反射光束を受光する反射型液晶パネルと、該反射型液晶パネルの反射光束が通過する投射レンズとを有し、前記高入射角グラントムソンプリズムが、前記第２ミラーの反射光束と前記反射型液晶パネルの反射光束の間に配置されていることを特徴とする投影光学系である。
【００１２】
本発明はまた、ハウジング内に、光源と、該光源から射出された光束を通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを透過した光束が入射する高入射角グラントムソンプリズムと、該高入射角グラントムソンプリズムを通過した光束を反射する凹反射面を持つ第１ミラーと、前記第１ミラーの反射光束の集束位置付近に配置された第２ミラーと、前記第２ミラーの反射光束を受光する反射型液晶パネルと、該反射型液晶パネルの反射光束が通過する投射レンズとを有し、前記高入射角グラントムソンプリズムが、前記第２ミラーの反射光束と前記反射型液晶パネルの反射光束の間に配置されていることを特徴とする投影装置である。
【００１３】
本発明の実施形態は以下のとおりである。
上記第１ミラーが、球面又は非球面の凹表面鏡又は凹裏面鏡であることを特徴とする。
上記第２ミラーが、球面又は平面鏡であることを特徴とする。
前記高入射角グラントムソンプリズムが、カルサイト（方解石）の偏光分離型グラントムソンプリズムを使用し、そのＬ／Ａ比を３以上のものとしたことを特徴とする。
前記高入射角グラントムソンプリズムが、その後方にウェッジプリズムを配置したことを有することを特徴とする。
前記光源と前記第１ミラーを結ぶ光軸が、基準水平線に対し５ないし１５度傾斜していることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施形態】
本発明の実施形態は、以下のとおりである。ハウジング（図示せず）内に、リフレクタ１０付きのライトバルブ１２、リフレクタ１０の投射光軸Ｏ上に直交配置されたカラーホイール１４及び偏光変換部１６、斜設された凹面鏡である第１ミラー１８、第１ミラー１８の反射光軸Ｏ上に斜設された平表面鏡の第２ミラー２０、第２ミラー２０の反射光軸Ｏ上に直交配置されたコンデンサーレンズ２１及び斜設された反射型液晶パネル２２、反射型液晶パネル２２の反射光軸Ｏ上に斜設された偏光ビームスプリッタ２３及び投射レンズ２４を配置してなる。第２ミラー２０の反射光束の光軸Ｏは、偏光変換部１６の下側に位置し、反射型液晶パネル２２の反射光軸Ｏは偏光変換部１６の上側に位置する。偏光ビームスプリッタ２３は、反射形液晶パネル２２によって形成される偏光画像光束から一定偏光を除去して、可視画像を形成する。
【００１５】
リフレクタ１０は、楕円鏡であって、一方の焦点がライトバルブ１２のアークギャップ１３又はその近傍にある。リフレクタ１０の反射面は、可視光以外、さらに詳しくは７００nmより長い波長の赤外域等を透過させる誘電体多層膜コーティングが設けられ、コールドミラーとなっている。カラーホイール１４は、光束をＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）に分光するセグメントすなわちバンドパスフィルター（図示せず）を同一円周上に配置してなり、該セグメントは順次光軸Ｏ上を通過する。その結果、ＲＧＢの光が所定の時間差をもって順序偏光変換部１６へ入射する。
【００１６】
このカラーホイール１４には、投影装置の投射総光量を増加するために、一部のセグメントを、ＲＧＢではなく無色透明部とする場合もある。この無色透明部を設ける必要性は、主にプロジェクター等の投影装置の商品性すなわち色再現性、光量、コントラスト比等の仕様によって決定される。カラーホイール１４を駆動するモータ３０は、軸ぶれ防止のためにアウターローター型モータである。カラーホイール１４を通過した光束を受光してこれを偏光化しかつ光束断面において平均化するため、カラーホイール１４を通過した光束は，偏光変換部１６に入射する。
【００１７】
偏光変換部１６は、図４に示すように、高入射角グラントムソンプリズム１５と、ウェッジプレート１９と、波長板１７とを、耐熱性に優れた接着剤、例えばＵＶ硬化性接着剤により貼り合わせて一体化しており、非常にコンパクトに形成されている。高入射角グラントムソンプリズム１５は、一般的なカルサイト（方解石）を使用している。
【００１８】
高入射角グラントムソンプリズム１５においては、図４に示すように、ＲＧＢに分光された光束が入射面２１から入射する。上方側の第１プリズム１５ａを通過して第１射出面１５ａａから射出される光束は、下方側の楔型の第２プリズム１５ｂを通過して第２射出面１５ｂｂから射出される光束に比較して、光軸に対する傾斜角が大きくなる。しかし、Ｌ／Ａ比を１０と長くした高入射角グラントムソンプリズム１５においては、分離角度すなわちＳ波Ｐ波の分離角度は大きいものとはならず、Ｌ／Ａ比すなわち長さ対有効口径比が１０の場合、分離角は約１１．５°と小さい。この両光束の射出角度を一致させるために、第１射出面１５ａａの直後にウエッジプレート１９が配置される。また、第２射出面１５ｂｂの直後には、位相差板１７が配置される。
【００１９】
高入射角グラントムソンプリズム１５の入射面２１の位置は、楕円形のリフレクタ１２の第２焦点位置になり、カラーホイール１４を通過した光束が集束する位置であることが望ましい。
しかし、ライトバルブ１２のアークギャップ長の関係から、高入射角グラントムソンプリズム１５の入射面２１においてこの照明光束が点に集光するすなわち点光源になることはなく、光軸と直交する面において所定領域に光量分布をもった面光源となる。偏光変換部１６において、漏れ光を少なくして光量を確保するため、偏光変換部１６の心臓部にあたる高入射角グラントムソンプリズム１５の入射面２１の大きさは、この面光源を含む十分に大きな面積を確保しなければならない。すなわち、この高入射角グラントムソンプリズム１５は、リフレクタ１０からの光束を効率よく偏光変換させるため、入射許容角を大きく確保できように、Ｌ／Ａ比の大きなもの、例えば３．０以上のものを使用する。
【００２０】
光束は、高入射角グラントムソンプリズム１５の中を反射を繰り返しながら透過する。従って、高入射角グラントムソンプリズム１５の長さは重要な設計事項であり、長ければすなわちＬ／Ａ比が大きければ、許容入射角度を大きくして明るい偏光光束を得ることができる。カルサイトは、一般に、４００nm近傍において光吸収が大きい性質があり、高入射角グラントムソンプリズム１５はＬ／Ａ比を大きくすると、カルサイトの光吸収により可視光透過率が低下する。従って、高入射角グラントムソンプリズム１５に使用するカルサイトは、可視光域でも利用可能な無色のものが好ましい。高入射角グラントムソンプリズム１５の内面反射は、反射面の全反射を利用することにより、理論的に反射効率は１００％となる。
【００２１】
高入射角グラントムソンプリズム１５の支持は、高入射角グラントムソンプリズム１５が柔らかいため、表面に傷を付けないように取り付けなかればならない。高入射角グラントムソンプリズム１５は、例えば、樹脂製のばねを用いて押しつけるようにし、ロット支持部材（図示せず）に固定され、さらにロッド支持部材自体にも樹脂部材を用いる等の方法によって、より柔軟に取り付けられる。
偏光変換部１６のウェッジプレート１９及び位相差板１７から射出される光束の射出角度は、高入射角グラントムソンプリズム１５の入射面２３の入射角度と同一である。ただし、ウェッジプレート１９及び位相差板１７の射出面の合計面積は、高入射角グラントムソンプリズム１５の入射面２１の面積の約２倍である。
【００２２】
第２ミラー２０の直径を小さくするために、光束が第２ミラー２０上に合焦するように第１ミラー１８の曲率半径を小さく決定する。その結果、第２ミラー２０による反射光束は、大きな収差が発生して反射型液晶パネル２２上で不均一になるので、コンデンサーレンズ２１を非球面レンズにして該収差を除去し、反射型液晶パネル２２の受光を均一化する。
【００２３】
三次元空間における第１ミラー１８の法線ベクトル５３及び第２ミラー２０の法線ベクトル５４の傾斜角度は、図１ないし図５を参照して、以下のようにして求める。
第１ミラーの法線ベクトル５３がＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面ｘｙのなす角度α８１，β８１，γ８１は、次式で表される。
【００２４】
三次元空間における第１ミラー１８の法線ベクトル５３及び第２ミラー２０の法線ベクトル５４の傾斜角度は、図１ないし図５を参照して、以下のようにして求める。
第１ミラーの法線ベクトル５３がＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面ｘｙのなす角度α８１，β８１，γ８１は、次式で表される。
【００２５】
0004125028.tif 000002
0004125028.tif 000003
0004125028.tif 000004
ここで、ｐ，ｒはパラメータである。
0004125028.tif 000005
0004125028.tif 000006
Ｘ軸の正の向きは、図１の紙面に対して右向きであり、Ｙ軸及びＺ軸の正の向きは図５の紙面に対してそれぞれ右向き及び上向きである。
θ：ライトバルブ及びリフレクタの中心を通り、第１ミラーへ入射する入射光の光軸がＸＺ面内にて、ＸＹ平面となす角度。
α81，β81，γ81：第１ミラーの法線ベクトル５３がそれぞれＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面内にて、ＸＺ平面、ＸＹ平面、ＸＹ平面からなす角度（図１、２、３、５参照）。
Ａ，Ｂ：第１ミラーから反射した反射光の光軸５６がそれぞれＸＹ平面、ＸＺ平面内にてＸＺ平面、ＸＹ平面からなす角度（図１、２参照）。
【００２６】
第２ミラーの法線ベクトル５４のなす角度α82，β82，γ82は次式で表される。
0004125028.tif 000007
0004125028.tif 000008
0004125028.tif 000009
ここで、ｎ，ｐはパラメータである。
0004125028.tif 000010
0004125028.tif 000011
α82，β82，γ82：第２ミラーの法線ベクトル５４がそれぞれＸＹ平面、ＸＺ平面、ＹＺ平面内にてＸＺ平面、ＸＹ平面、ＸＹ平面からなす角度（図１、２、５参照）。
Ｃ，Ｄ：第２ミラーから反射したＤＭＤへの入射光５７がそれぞれＸＺ平面、ＹＺ平面内にてＹＺ平面、ＸＹ平面からなす角度（図３，５参照）。
【００２７】
次に、三次元空間における第１ミラー１８の法線ベクトル５３及び第２ミラー２０の法線ベクトル５４の傾斜角度の計算例を示す。
（第１ミラーの法線ベクトルの傾斜角度）
θ＝−１０゜，Ａ＝１２゜，Ｂ＝１５゜
第１ミラーの法線ベクトル５３のなす角度α81，β81，γ81を求める。
0004125028.tif 000012
＝0.9461890
0004125028.tif 000013
＝0.9848078
0004125028.tif 000014
＝5.9460758゜
0004125028.tif 000015
＝10.983390゜
0004125028.tif 000016
＝64.788624゜
【００２８】
（第２ミラーの法線ベクトルの傾斜角度）
θ＝１０゜，Ａ＝１２゜，Ｂ＝１５゜，Ｃ＝−１０゜，Ｄ＝３０゜
ミラーＭ２の法線ベクトル５４のなす角度α82，β82，γ82を求める。
0004125028.tif 000017
＝0.9461890
0004125028.tif 000018
＝0.85610146
0004125028.tif 000019
＝-126.95028゜(-180゜＜α82 ≦０）
0004125028.tif 000020
＝-136.76076゜(-180゜＜β82 ≦０）
0004125028.tif 000021
＝-144.72718゜(-180゜＜γ82 ≦０）
【００２９】
【発明の効果】
本発明の投影光学系及び投影装置によれば、全体的にコンパクトすなわち体積利用効率が高く、部品点数が少なく、光源光量効率の高い投影光学系及び投影装置を構成することができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の投影装置光学系の平面図である。
【図２】図１に示す本発明の実施形態の投影装置光学系の正面図である。
【図３】図１に示す本発明の実施形態の投影装置光学系の右側面図である。
【図４】偏光変換部の斜視図である。
【図５】図３の右側面図の第１ミラー及び第２ミラーに係る部分の拡大図であり、第１ミラーの法線ベクトルが記入されている。
【図６】図３の右側面図の第１ミラー及び第２ミラーに係る部分の拡大図であり、第２ミラーの法線ベクトルが記入されている。
【図７】従来技術の３枚の反射型液晶パネルデを使用した投影装置光学系の平面図である。
【符号の説明】
１０            リフレクタ
１２            ライトバルブ
１４            カラーホイール
１５            高入射角グラントムソンプリズム
１６            偏光変換部
１８            第１ミラー
２０            第２ミラー
２２            反射型液晶パネル
２３            偏光ビームスプリッタ
２４            投影レンズ
３０            モータ
５３            第１ミラーの法線ベクトル
５４            第２ミラーの法線ベクトル
【図１】
0004125028.tif 000022
【図２】
0004125028.tif 000023
【図３】
0004125028.tif 000024
【図４】
0004125028.tif 000025
【図５】
0004125028.tif 000026
【図６】
0004125028.tif 000027
【図７】
0004125028.tif 000028