JP2010243533A - プロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】投射画像の輝度ムラを防止して、かつ必要に応じて光源の出力を抑え、消費電力を低減することのできるプロジェクターを提供すること。
【解決手段】第１の光源２１１Ｌ及び第２の光源２１１Ｒを有する照明装置と、照明装置から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する光変調装置と、光変調装置で形成された光学像を投射する投射光学装置と、第１の光源２１１Ｌ及び第２の光源２１１Ｒの光量を制御する光量制御手段１０とを備え、第１の光源２１１Ｌは、光変調装置の画像形成領域の一部である第１の領域を照明し、第２の光源２１１Ｒは、光変調装置の画像形成領域の一部である第２の領域を照明する。
【選択図】図４

Description

本発明は、照明装置と、この照明装置から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する光変調装置と、この光変調装置で形成された光学像を投射する投射光学装置とを備えたプロジェクターに関する。

近年、車の外形デザイン設計等の分野では、実寸大の大きさで画像を形成しながら作業を行えるように、照明装置と、この照明装置から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する光変調装置と、この光変調装置で形成された光学像を投射する投射光学装置とを備えたプロジェクターが利用されている。
このプロジェクターを用いる利点としては、１００インチ以上の大型の投射画像を容易に形成することができ、かつ画像表示装置としての製品コストが安いことにあるが、一方で液晶パネル投射型のプロジェクターでは、投射面に色、輝度やコントラストのムラが発生し易いという問題がある。
このため、従来、液晶パネルに印加する印加電圧を制御することにより、投射画像に輝度ムラを生じさせない技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数の画像表示装置を縦横に配列して大画面画像を形成する技術において、輝度ムラ補正回路を組み込むことにより、各画像表示装置で生じる輝度ムラ、色ムラを解消する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、照明装置から射出される照明光をレンズアレイを用いて複数の部分光束に分割することにより、照明光自体の安定化を図り、輝度ムラを抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平６−２２２３２４号公報 特開平７−５０７９５号公報 特開平１１−２８１９２３号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、輝度ムラ補正の有効範囲よりも光源の輝度ムラの範囲の方が大きくなる可能性が大であり、有効に輝度ムラを抑制することができないという問題がある。
また、前記特許文献２に記載の技術では、画像表示装置毎に輝度ムラ、色ムラ補正回路を設ける必要があり、装置の複雑化を招く上、消費電力がアップしてしまうという問題がある。
さらに、前記特許文献３に記載の技術では、照明光の安定化はレンズアレイの製品精度に依存してしまうという問題がある上、高輝度の画像を投射するには、高輝度の光源ランプを最高出力で点灯する必要があり、消費電力がアップしてしまうという問題がある。

本発明の目的は、投射画像の輝度ムラを防止して、かつ必要に応じて光源の出力を抑え、消費電力を低減することのできるプロジェクターを提供することにある。

本発明に係るプロジェクターは、
第１の光源及び第２の光源を有する照明装置と、
前記照明装置から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する光変調装置と、
前記光変調装置で形成された光学像を投射する投射光学装置と、
前記第１の光源及び前記第２の光源の光量を制御する光量制御手段とを備え、
前記第１の光源は、前記光変調装置の画像形成領域の一部である第１の領域を照明し、
前記第２の光源は、前記光変調装置の画像形成領域の一部である第２の領域を照明することを特徴とする。

この発明によれば、第１の光源及び第２の光源により光変調装置の画像形成領域を分割して照明しているので、投射画像のそれぞれの照明領域における照明強度を調整することにより、輝度ムラの発生を防止することができる。
また、光量制御手段により各光源の光量を制御することにより、投射画像を投射する環境条件に応じて光量を制御して消費電力を低減することができる。
さらに、光量制御手段により各光源の光量を制御することで、光源への負荷を軽減して、光源の寿命の長期化を図ることができる。

本発明では、
前記画像形成領域、前記第１の領域及び前記第２の領域は矩形状であり、
前記第１の領域及び前記第２の領域の中心は、前記画像形成領域の中心の外側にあり、かつ前記第１の領域及び前記第２の領域が部分的に重ね合わせられるのが好ましい。
この発明によれば、光源が点光源である場合、照明強度のピークから遠ざかるにつれて減光していく傾向にあり、隣り合う光源の照明領域の一部を重ね合わせることにより、減光の影響を相補的に補間して重ね合わされた領域の光量を向上させることができるため、投射画像全体の光量を向上できる上、重ね合わされた領域の照明強度を調整することにより、点光源の照明強度のピークの部分の光量と同じ明るさとすることができ、輝度ムラの発生を防止することができる。

本発明では、
前記投射光学装置から投射された投射画像を撮像する撮像装置を備え、
前記光量制御手段は、前記光変調装置で中間階調値の単色画像を表示させ、前記単色画像を前記撮像装置により撮像した撮像データに基づいて、各光源の光量制御を行うのが好ましい。
この発明によれば、光量制御手段が中間階調値の単色画像を表示し、これを撮像装置で撮像した撮像データに基づいて、各光源の光量制御を行っているので、各光源の光量をバランスよく調整することができる。また、撮像装置を用いて撮像データとすることで、プロジェクター内部での光量調整を自動化することも可能である。

本発明の実施形態に係るプロジェクターの構造を表す模式図。 前記実施形態における光変調装置の画像形成領域の分割照明を説明するための模式図及びグラフ。 前記実施形態における光変調装置の画像形成領域の照明状態を表す模式図。 前記実施形態における照明装置を制御する制御手段の構造を表すブロック図。 前記実施形態の作用を説明するためのフローチャート。 前記実施形態におけるプロジェクターによる斜め投射の状態を表す模式図。 前記実施形態におけるプロジェクターにより斜め投射を行った場合の投射画像の明るさの分布を表す模式図。 前記実施形態におけるプロジェクターによる斜め投射を行った場合の照明強度設定を説明するためのグラフ。

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
（１）光学系の構造
図１には、本発明の実施形態に係るプロジェクター１の光学系が示されており、このプロジェクター１は、照明装置２から射出された光束を、光変調装置５によって入力される画像情報に応じて変調して光学像を形成し、投射光学装置７からスクリーンＳ上に投射する光学機器である。このプロジェクター１は、照明装置２、色分離光学装置３、リレー光学装置４、光変調装置５、色合成光学装置６、及び投射光学装置７を備える。

照明装置２は、並列配置される２組の照明光学装置２Ｌ、２Ｒを備える。第１の光源としての第１の照明光学装置２Ｌは、光源装置２１Ｌ、第１レンズアレイ２２Ｌ、第２レンズアレイ２３Ｌ、偏光変換素子２４Ｌ、及び重畳レンズ２５Ｌを備える。
光源装置２１Ｌは、放電型発光管２１１Ｌ及びリフレクタ２１２Ｒを備える。
放電型発光管２１１Ｌは、超高圧水銀ランプであり、内部に一対の電極が配置され、水銀が封入される放電空間が形成された発光部と、この発光部を挟んで互いに離間する方向に延出し、内部に各電極に接続される電極引出線が設けられた一対の封止部とを備えている。
リフレクタ２１２Ｌは、放電型発光管２１１Ｌから射出された放射光束を反射して所定位置に収束させる光学素子であり、本実施形態では、回転楕円面を有する楕円面リフレクタが採用されている。

第１レンズアレイ２２Ｌ及び第２レンズアレイ２３Ｌは、それぞれ対応する小レンズがマトリクス状に配列された構成を有し、第１レンズアレイ２２Ｌは、光源装置２１Ｌから入射した光束を複数の部分光束に分割して、第２レンズアレイ２３Ｌ近傍に結像させる。
第２レンズアレイ２３Ｌは、光路後段に位置する重畳レンズ２５Ｌとともに、後述する光変調装置５の各液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの画像形成領域５１１の左側半分の領域５１１Ｌ上に、第１レンズアレイ２２Ｌで分割された複数の部分光束を重畳させる。

偏光変換素子２４Ｌは、第２レンズアレイ２３Ｌから射出された光束を、略１種類の直線偏光光束に変換する光学素子である。
この偏光変換素子２４Ｌは、一方の対角が４５deg、他方の対角が略１３５degとされた断面平行四辺形状の複数のプリズムを、斜面同士を接合して形成された板状体であり、接合される界面には、偏光分離膜と全反射ミラーが交互に蒸着形成されている。
また、偏光変換素子２４Ｌの光束射出面には、所定のピッチで複数の１／２波長位相差板が設けられている。

このような偏光変換素子２４Ｌでは、偏光分離膜を形成した面に光束を入射させると、２種類の直線偏光光束のうち、一方の直線偏光光束は、そのまま透過して射出され、他方の偏光光束は、偏光分離膜で略直角に折り曲げられ、全反射ミラーで再度直角に折り曲げられて射出される。
２種類の直線偏光光束のいずれかは、後段に設けられる１／２波長位相差板によって、偏光方向が９０deg変換され、これにより入射した光束を１種類の直線偏光光束に変換することが可能となる。
第２の光源としての第２の照明光学装置２Ｒも第１の照明光学装置２Ｌと同様の構造、部品から構成され、光源装置２１Ｒ、第１レンズアレイ２２Ｒ、第２レンズアレイ２３Ｒ、偏光変換素子２４Ｒ、及び重畳レンズ２５Ｒを備える。
そして、このような照明装置２から射出された光束は、複数の部分光束に分割され、偏光方向を揃えられた光束は、色分離光学装置３に射出される。

色分離光学装置３は、照明装置２から射出された光束を、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）の三色光に分離する機能を有し、ダイクロイックミラー３１、３２、及び反射ミラー３３、３４、３５を備える。
ダイクロイックミラー３１、３２は、光束の光路中心軸に対して略４５deg傾斜して配置され、ＢＫ７、石英ガラス等の透明基板上に誘電体多層膜を形成した光学素子である。ダイクロイックミラー３１、３２の誘電体多層膜は、特定の波長域の光束を反射し、それ以外の光束を透過して、光束を複数の色光に分離する機能を有する。光路前段に配置されるダイクロイックミラー３１は、赤色光（Ｒ）を反射し、それ以外の緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を透過し、一方、光路後段に配置されるダイクロイックミラー３２は、緑色光（Ｇ）を反射し、青色光（Ｂ）を透過する。

反射ミラー３３、３４、３５は、ダイクロイックミラー３１、３２で分離された赤色光（Ｒ）及び青色光（Ｂ）を、光変調装置５を構成する液晶パネル５１Ｒ、５１Ｂに導く光学素子であり、全反射ミラーで構成される。
この色分離光学装置３で分離された青色光（Ｂ）の光路中には、リレー光学装置４が設けられ、リレー光学装置４は、光路中に配置される２つの集光レンズ４１、４２により構成され、青色光（Ｂ）を青色光側の液晶パネル６１Ｂまで導く機能を有する。
一方、色分離光学装置３で分離された赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）の各色光は、フィールドレンズ４３を介して、光変調装置５を構成する液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂに入射する。

光変調装置５は、３つの液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂと、図示を略したが、各液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの光路前段に配置される入射側偏光板と、光路後段に配置される射出側偏光板とを備える。
液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、一対の透明なガラス基板に電気光学物質である液晶が密閉封入された画像形成領域５１１を有し、この画像形成領域５１１では、入力される画像情報に応じて液晶の配向状態が制御されることで、入射側偏光板を透過した直線偏光光束の偏光方向を変調する。液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂで変調された光束のうち、所定の直線偏光光束は射出側偏光板を透過し、それ以外の偏光光束は射出側偏光板により吸収され、光学像が形成される。このような光変調装置５で変調された光束は、色合成光学装置６に射出される。

色合成光学装置６は、各射出側偏光板から射出された変調光束を合成してカラー画像を形成する機能を有し、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状を有し、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、２つの誘電体多層膜が形成されたクロスダイクロイックプリズムとして構成される。
２つの誘電体多層膜は、一方が赤色光（Ｒ）を反射し、緑色光（Ｇ）を透過する性質を有し、他方が青色光（Ｂ）を反射し、緑色光（Ｇ）を透過する性質を有し、これら誘電体多層膜によって赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）が合成されてカラー画像が形成される。
投射光学装置７は、図１では図示を略したが、鏡筒内に複数のレンズが光軸を合わせて配列された組レンズから構成され、色合成光学装置６で合成された光学像をスクリーンＳ上に投射する。

このような構造のプロジェクター１において、前述した照明装置２は、図２に示されるように、光変調装置５を構成する液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの矩形条の画像形成領域５１１を分割して照明するようになっている。
すなわち、第１の照明光学装置２Ｌは、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂのそれぞれの画像形成領域５１１の左半分の領域（第１の領域）５１１Ｌを照明し、第２の照明光学装置２Ｒは、画像形成領域５１１の右半分の領域（第２の領域）５１１Ｒを照明する。つまり、第１の光源２Ｌは画像形成領域５１１の一部である第１の領域５１１Ｌを照明し、第２の光源２Ｒは画像形成領域５１１の一部である第２の領域５１１Ｒを照明する。
各照明光学装置２Ｌ、２Ｒの放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒは、画像形成領域５１１の中央線ＣＬの外側に配置され、左半分の領域５１１Ｌと右半分の領域５１１Ｒとは、画像形成領域５１１の中央部分で照明領域が重なり合わせられ、重なり領域５１１Ｃを形成する。従って、第１の領域５１１Ｌ及び第２の領域５１１Ｒは部分的に重ね合わせられている。

両照明光学装置２Ｌ、２Ｒの放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒは、点光源であるから、図２のグラフＬ、Ｒに示されるように、放電型発光管２１１Ｌは、その配置位置に対応した照明領域で照明強度が最も高くなり、そこから遠ざかるに従って、徐々に減光していく照明特性を有し、放電型発光管２１１Ｒも同様に、その配置位置に対応した照明領域で照明強度が最も高くなり、そこから遠ざかるに従って徐々に減光していく照明特性を有する。
しかし、図２に示されるように、両照明光学装置２Ｌ、２Ｒには、重なり領域５１１Ｃが形成されているため、この重なり領域５１１Ｃにおいては、両照明光学装置２Ｌ、２Ｒの照明光が重なり合い、両照明光が相補的に補間して光量が増大する。
その結果、図３に示されるように、画像形成領域５１１の角隅部の領域Ｅのみが減光の影響を受けるが、画像形成領域５１１の略全域を均一に照明することが可能となる。

（２）光量制御手段１０の構造
前述したプロジェクター１から投射された投射画像は、図４に示されるように、ＣＣＤカメラ８によって撮像され、撮像された撮像データは、光量制御手段１０に取り込まれ、光量制御手段１０は、撮像データに基づいて、光源駆動回路９Ｌ、９Ｒの駆動制御を行う。この光量制御手段１０は、撮像データ取込部１１と、光量解析部１２と、光量設定部１３と、光量制御部１４とを備え、光量制御手段１０は、必要に応じてメモリー１５から情報を読み出したり、生成したデータをメモリー１５に書き込むことができるようになっている。尚、光量制御手段１０は、演算処理装置であり、光量制御手段１０を構成する撮像データ取込部１１、光量解析部１２、光量設定部１３、光量制御部１４は、光量制御手段１０で実行されるプログラムであり、プロジェクター１の起動とともに、メモリー１５から読み出されるようになっている。

撮像データ取込部１１は、ＣＣＤカメラ８で撮像されたプロジェクター１の投射画像をデータとして取り込む部分である。
光量解析部１２は、撮像された投射画像の撮像データに基づいて、投射画像の輝度分布を解析する部分であり、光量解析は、公知の輝度分布解析方法を活用することができ、例えば、撮像データ中の各画素の輝度データをヒストグラム化することにより行われる。
光量設定部１３は、光量解析部１２で解析された輝度分布に基づいて、照明装置２の第１の照明光学装置２Ｌ、第２の照明光学装置２Ｒの光量を設定する部分であり、投射画像の左右の領域で輝度分布に偏りがある場合、暗い照明領域を照明する照明光学装置の照明強度を向上させ、又は、明るい照明領域を照明する照明光学装置の照明強度を低下させるようにして、全体の照明強度が均一となるように照明装置２の光量を設定する。

光量制御部１４は、光量設定部１３で設定された設定値に基づいて、第１の照明光学装置２Ｌ、第２の照明光学装置２Ｒの光量制御を行う部分である。この光量制御部１４は、放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒを駆動する光源駆動回路９Ｌ、９Ｒに制御指令を出力することで、放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒから射出される光束の光量を制御する。具体的には、放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒに印加する電圧を制御指令として出力し、光源駆動回路９Ｌ、９Ｒでは、その印加電圧に基づいて、放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒを駆動し、これにより、放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒから射出される光束の光量が変更される。

（３）実施形態の作用及び効果
次に、前述した構造のプロジェクター１の作用を、図５に示されるフローチャートに基づいて説明する。
光量制御手段１０は、プロジェクター１の起動とともに、メモリー１５内に記憶された単色画像を読み出し、単色画像をスクリーンＳ上に投射する（手順Ｓ１）。尚、本発明における「単色画像」とは、全面が同一色、かつ同一階調である画像を指す。単色画像としては、最も明暗が判りやすくなるように、中間階調のグレイ画像を採用することができる。
次に、ＣＣＤカメラ８は、投射された単色画像を撮像し、撮像データ取込部１１は、ＣＣＤカメラ８で撮像された撮像データをデジタルデータとして取り込む（手順Ｓ２）。
光量解析部１２は、撮像データに基づいて、投射画像の光量解析を行い、投射画像の輝度分布を取得する（手順Ｓ３）。

光量設定部１３は、光量解析部１２による投射画像の輝度分布に基づいて、照明光学装置２Ｌ、２Ｒの放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒから射出される光束の光量を設定する（手順Ｓ４）。
光量制御部１４は、光量設定部１３で設定された放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒから射出する光量に基づいて、光源駆動回路９Ｌ、９Ｒに制御指令を出力し、各放電型発光管２１１Ｌ、２１１Ｒから射出される光束の光量制御を行う（手順Ｓ５）。

このような本実施形態に係るプロジェクター１によれば、例えば、図６に示されるように、プロジェクター１とスクリーンＳが完全に正対していない、いわゆる斜め投射となる場合、プロジェクター１からスクリーンＳまでの距離が異なるため、図７に示されるように、左右で投射画像Ｇの明るさに偏りが生じる。図６の場合では、左側の投射領域が右側の投射領域よりも近いため、投射画像Ｇの左側の領域が右側の領域よりも明るくなる。

そこで、図８に示されるように、光量制御手段１０が、第１の照明光学装置２Ｌの照明強度を低くして、第２の照明光学装置２Ｒの照明強度を高くすることにより、図７における明るい左側の領域の光量が低下するので、投射画像Ｇの明るさを全体として均一にすることができ、輝度ムラの発生を防止することができる。
また、近接照明している第１の照明光学装置２Ｌの照明強度を低くしているため、その分、第１の照明光学装置２Ｌの消費電力を低下させることができる。

（４）実施形態の変形
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形をも含むものである。
前述の実施形態に係る照明装置２は、液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの画像形成領域５１１の左右を分割して照明していたが、本発明はこれに限られない。すなわち、液晶パネルの画像形成領域の上下を分割するように照明装置を構成してもよく、さらには、液晶パネルの画像形成領域を４分割して４つの領域について分割照明するようにしてもよい。

また、前述の実施形態では、３枚の液晶パネル５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを備えたプロジェクター１において、分割照明を行う照明装置２を採用していたが、本発明はこれに限られない。すなわち、単板式の液晶プロジェクターに本発明を採用することができ、さらには、光変調装置の光変調の方法としては、透過型だけでなく、反射型液晶パネルや、マイクロミラーを用いた光変調装置に本発明を適用してもよい。
その他、本発明の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。

１…プロジェクター、２…照明装置、２Ｌ…第１の照明光学装置、２Ｒ…第２の照明光学装置、３…色分離光学装置、４…リレー光学装置、５…光変調装置、６…色合成光学装置、７…投射光学装置、８…ＣＣＤカメラ、９Ｌ、９Ｒ…光源駆動回路、１０…光量制御手段、１１…撮像データ取込部、１２…光量解析部、１３…光量設定部、１４…光量制御部、１５…メモリー、２１Ｌ、２１Ｒ…光源装置、２２Ｌ、２２Ｒ…第１レンズアレイ、２３Ｌ、２３Ｒ…第２レンズアレイ、２４Ｌ、２４Ｒ…偏光変換素子、２５Ｌ、２５Ｒ…重畳レンズ、３１、３２…ダイクロイックミラー、３３、３４、３５…反射ミラー、４１４２…集光レンズ、４３…フィールドレンズ、５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ…液晶パネル、２１１Ｌ、２１１Ｒ…放電型発光管、２１２Ｌ、２１２Ｒ…リフレクタ、５１１…画像形成領域、５１１Ｌ…左側半分の領域、５１１Ｒ…右側半分の領域、５１１Ｃ…重なり領域、ＣＬ…中央線、Ｅ…角隅部の領域、Ｇ…投射画像、Ｓ…スクリーン

Claims (3)

1. 第１の光源及び第２の光源を有する照明装置と、
   前記照明装置から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する光変調装置と、
   前記光変調装置で形成された光学像を投射する投射光学装置と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源の光量を制御する光量制御手段とを備え、
   前記第１の光源は、前記光変調装置の画像形成領域の一部である第１の領域を照明し、
   前記第２の光源は、前記光変調装置の画像形成領域の一部である第２の領域を照明することを特徴とするプロジェクター。
2. 請求項１に記載のプロジェクターにおいて、
   前記画像形成領域、前記第１の領域及び前記第２の領域は矩形状であり、
   前記第１の領域及び前記第２の領域の中心は、前記画像形成領域の中心の外側にあり、かつ前記第１の領域及び前記第２の領域が部分的に重ね合わせられることを特徴とするプロジェクター。
3. 請求項１又は請求項２に記載のプロジェクターにおいて、
   前記投射光学装置から投射された投射画像を撮像する撮像装置を備え、
   前記光量制御手段は、前記光変調装置で中間階調値の単色画像を表示させ、前記単色画像を前記撮像装置により撮像した撮像データに基づいて、各光源の光量制御を行うことを特徴とするプロジェクター。

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