JP2020173370A - 照明光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【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、光源からの光束の第１波長光（可視光）を反射させ、第２波長光（紫外光）を透過させる波長分離素子と、前記波長分離素子を透過した弟２波長光を第３波長光（赤外光）に変換する波長変換素子（蛍光体）と、前記波長分離素子で反射した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、第１波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第１波長光を照明光学系に導き、第３波長光を光学系外に導き、 第３波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第３波長光を照明光学系に導き、第１波長光を光学系外に導くこと特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投射装置に関し、特に照明光学系に関する。

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。

特開２０１０−１４００１７号公報 特開２００８−１７６１９５号公報

しかしながら、上記の特許文献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。上記の特許文献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。

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。

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、光源からの光束の第１波長光（可視光）を反射させ、第２波長光（紫外光）を透過させる波長分離素子と、前記波長分離素子を透過した弟２波長光を第３波長光（赤外光）に変換する波長変換素子（蛍光体）と、前記波長分離素子で反射した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、第１波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第１波長光を照明光学系に導き、第３波長光を光学系外に導き、 第３波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第３波長光を照明光学系に導き、第１波長光を光学系外に導くこと特徴とする。

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の提供を実現できる。

実施例１における可視光投射時の光学系の断面図 実施例１における赤外光投射時の光学系の断面図 実施例２における可視光投射時の光学系の断面図 実施例２における赤外光投射時の光学系の断面図

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。

図１には、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。

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。

照明光学系は、波長分離素子である紫外透過ミラー３、集光レンズ４、波長変換素子である蛍光体１３、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。

紫外透過ミラー３は、可視光（４３０ｎｍ−６７０ｎｍ）を反射して、紫外光（３８０ｎｍ−４３０ｎｍ）を透過するミラーである。集光レンズ４は、紫外透過ミラー３を透過した紫外光を蛍光体１３に集光させるレンズである。蛍光体１３は、紫外光を赤外光（７００ｎｍ−９００ｎｍ）に波長変換する光学素子である。

紫外透過ミラー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。

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。

光源ユニット１２からの可視光および赤外光は、紫外透過ミラー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。

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。

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。

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。

紫外透過ミラー３を透過した紫外光は、集光レンズ４を通過し、蛍光体１３に集光される。蛍光体１３で、紫外光は赤外光に変更され、紫外透過ミラー３に再入射する。可視光反射ミラー３に再入射した赤外光は、紫外透過ミラー３で反射され、光学系外に導かれる。

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。

光源ユニット１２から紫外光は、紫外透過ミラー３および集光レンズ４を通過し、蛍光体１３に集光される。蛍光体１３で、紫外光は赤外光に変更され、紫外透過ミラー３に再入射する。紫外透過ミラー３に再入射した赤外光は、紫外透過ミラー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。

光源ユニット１２からの紫外透過ミラー３で反射した可視光および赤外光は、光学系外に導かれる。

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。

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。

以下、更に望ましい構成について説明する。

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。

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。紫外透過ミラー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である。

紫外透過ミラー３は、紫外帯域の透過率は７５％以上、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域の反射率が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、紫外帯域の透過率は８５％以上、可視帯域の反射率が９２％以上、赤外帯域の反射率が８５％以上の特性を有する素子であることが望ましい。

リフレクタ２の反射面に可視光を反射し、紫外光と赤外光を透過する反射膜が使われることが一般的であるが、可視光と紫外光を反射するコートを蒸着することが望ましい。

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。

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。

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。光源ユニット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。

照明光学系は、赤外透過ミラー２３、集光レンズ２４、蛍光体３３、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。

赤外透過ミラー２３は、可視光（４３０ｎｍ−６７０ｎｍ）を反射して、赤外光（７００ｎｍ−９００ｎｍ）を透過するミラーである。集光レンズ２４は、赤外透過ミラー３を反射した可視光を蛍光体３３に集光させるレンズである。蛍光体３３は、可視光を赤外光に波長変換する光学素子である。赤外透過ミラー３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。

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。

光源ユニット３２からの光束は、赤外透過ミラー２３で可視光が反射され、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。

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。

光源ユニット３２からの赤外透過ミラー２３で反射した可視光は、集光レンズ２４を通過し、蛍光体３３に集光される。蛍光体３３で、可視光は赤外光に変更され、赤外透過ミラー２３を透過して、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。

従って、赤外光投射時は、可視光が赤外光を変換されるため、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。

以下、更に望ましい構成について説明する。

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。

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。蛍光体３３で可視光を赤外光に変換することは困難であり、赤外光投射時に一部の可視光が混入してしまうためである。

赤外透過ミラー２３は、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域の透過率が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、赤外帯域の透過率が８５％以上の特性を有する素子であることが望ましい。

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。

１ 光源、２ リフレクタ、３ 紫外透過ミラー、４ 集光レンズ、
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、１３ 蛍光体

Claims (7)

1. 光変調素子を有する画像投射装置であって、光源からの光束の第１波長光（可視光）を反射させ、第２波長光（紫外光）を透過させる波長分離素子と、前記波長分離素子を透過した弟２波長光を第３波長光（赤外光）に変換する波長変換素子（蛍光体）と、前記波長分離素子で反射した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、第１波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第１波長光を照明光学系に導き、第３波長光を光学系外に導き、 第３波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第３波長光を照明光学系に導き、第１波長光を光学系外に導くこと特徴とする画像投射装置。
2. 前記波長分離素子は、紫外帯域の透過率は７５％以上、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域の反射率が７５％以上の特性を有することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 光変調素子を有する画像投射装置であって、光源からの光束の第１波長光（可視光）を反射させる波長分離素子と、前記波長分離素子を透過した弟１波長光を第３波長光（赤外光）に変換する波長変換素子（蛍光体）と、前記波長分離素子で反射した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、第１波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第１波長光を照明光学系に導き、第３波長光を光学系外に導き、第３波長光の画像を投射する場合は、前記波長分離素子は第３波長光を照明光学系に導くこと特徴とする画像投射装置。
4. 前記波長分離素子は、可視帯域の反射率が８５％以上、赤外帯域の透過率が７５％以上の特性を有することを特徴とする請求項３に記載の画像投射装置。
5. 前記波長分離素子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１乃至請求項４の何れか一項に記載の画像投射装置。
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カット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。
7. 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６の何れか一項に記載の画像投射装置。