JP2005345767A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 画像を形成する光変調装置のサイズを色光束毎に選択可能とするプロジェクタを提案する。
【解決手段】 複数の色光束にそれぞれ対応した画像形成用の光変調装置を備え、各光変調装置から出射した光束（像光）を合成して投写光とするプロジェクタであって、例えば、３原色である赤、緑、青の各色光束に対応した３個の液晶パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを用いた３板式プロジェクタにおいて、各色光束の必要光量に関連して３個の液晶パネルのうちの少なくとも１つのパネルのサイズを相違させた場合に、各液晶パネルから出射された光束のサイズを各色光束を合成するプリズム５の手前で揃えるように、必用な光路に補正レンズを組み込む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体発光素子を光源とし、複数の色光束毎に配置した複数の光変調装置からの像光を合成して投写するプロジェクタに関する。

白色ランプを光源とし、３原色等の複数の色光束にそれぞれ対応した複数の液晶パネルを光変調装置として用いたプロジェクタにおいては、色ズレ等の防止のため、各液晶パネルのサイズを全て同じにしている。
一方、近年、ＬＥＤを光源としたプロジェクタについての開発が進んでいる。ＬＥＤを光源とした場合には、色域を広くできる、瞬時に点灯できる、寿命が長い等の利点が上げられている。このようなＬＥＤを光源としたプロジェクタにおいても、従来は各液晶パネルのサイズを各光束毎に選択決定することは考慮されていなかった（例えば、特許文献１）。
特開２００４−６１７７９号公報

しかしながら、ＬＥＤ等の半導体発光素子を各色光束の光源に利用した場合には、各光束毎に全く独立に光学設計が可能であり、各色光束の必要光量や光源の輝度との関係に応じて、光変調装置の光変調領域サイズ（又は画像形成領域サイズ）を適宜に選択することで、光学設計の自由度が増し、それによりコストの低減に寄与することが可能になる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、ＬＥＤ等の半導体発光素子を光源として用いたプロジェクタにおいて、そこに用いられる液晶パネル等の光変調装置の光変調領域サイズを、各色光束毎の必要光量や光源の輝度との関係に応じて選択可能な構成、およびその構成を採用したプロジェクタを提案するものである。

本発明のプロジェクタは、複数の色光束を合成して投写光とするプロジェクタにおいて、前記各色光束毎に配置された半導体発光素子光源と、前記各色光束を画像情報に基づいてそれぞれ変調し画像を形成する光変調装置であってその光変調領域サイズが各色光束毎に定められた光変調装置と、前記各光変調装置で変調された各色光束を合成する光合成装置と、前記光合成装置から出射された合成光を投写する投写レンズとを備え、前記光合成装置に入射する色光束のサイズを予め定めたサイズに変更する補正レンズを、前記各光束の光路のうちの少なくとも１つの光路の前記光変調装置と前記光合成装置の間に配置して、前記光合成装置に入射する各色光束のサイズを揃えたことを特徴とする。
これによれば、光源の輝度および光路効率等を考慮しながら、液晶パネル等の光変調装置のサイズを各色光束毎に決定することができる。従って、各色光束毎に、その出射光束量に応じたシステム構成が可能となり、コストの低減等が図れる。

上記の場合、前記半導体発光素子光源をＬＥＤから構成し、各光源毎に定めた個数のＬＥＤを配置して前記投写光が白色光となるようにするのが好ましい。ＬＥＤは、色域を広くできる、瞬時に点灯できる、寿命が長い等の利点があるからである。

また、本発明のプロジェクタは、前記複数の色光束が赤、緑、青の３種類であるものにおいて、各色光束に対応する各光変調装置の光変調領域サイズのうち、少なくとも１の光変調装置のサイズを他の光変調装置のサイズより大きくするか又は小さくし、これに対応する光路に、前記光合成装置に入射する各色光束のサイズを揃えるための光束サイズ縮小用もしくは光束サイズ拡大用の前記補正レンズを配置したものである。

例えば、前記複数の色光束が赤、緑、青の３種類であるものにおいて、前記緑色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズを、前記赤色光束および前記青色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズより大きくし、前記赤色光束および青色光束に対応する光路に、それらの光束のサイズを拡大させる前記補正レンズを配置したものが好ましい。これによれば、３つの光変調装置のうちの２つを小さくできるので、光変調装置のコストを下げることができ、しかも全体の明るさを決定する緑色光の利用率を低下させることもない。
また、前記複数の色光束が赤、緑、青の３種類であるものにおいて、前記緑色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズを、前記赤色光束および前記青色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズより大きくし、前記緑色光束に対応する光路に、その光束のサイズを縮小させる前記補正レンズを配置したものが好ましい。これによれば、緑色光の利用率は少し低下するが、光合成装置や投写レンズのサイズを小さくして、それらのコストを引き下げることができる。

なお、前記補正レンズは１つの非球面レンズとしても、また、複数のレンズからなるレンズ群としてもいずれでもよい。１つの非球面レンズの場合は設置スペースが少なくて済み、レンズ群とした場合には１つの非球面レンズの場合より解像度を向上させることができる。

さらに、前記各色光束の光束量の調整は、前記半導体発光素子の消費電力量を調整して行うようにしてもよい。また、前記光変調装置が液晶パネルである場合には、前記各色光束の光束量の調整を、前記液晶パネルの場所毎にその開度量を調整して行ってもよい。これらの調整により、各色光の合成光を所定の白色光とするための微調整が可能となる。

本発明は、複数の色光束にそれぞれ対応した画像形成用の光変調装置を備え、各光変調装置から出射した光束（像光）を合成して投写光とするプロジェクタに適用される。例えば、３原色である赤、緑、青の各色光束に対応した３個の液晶パネルを用いた３板式プロジェクタにおいて、各色光束の必要光量に関連して上記３個の液晶パネルのうちの少なくとも１つのパネルの光変調領域サイズ（又は画像形成領域サイズ）を相違させた場合に、各液晶パネルから出射された光束のサイズを各色光束を合成する装置の手前で揃えるように、必用な光路に補正レンズを組み込んでプロジェクタを構成するものである。

図１は、本発明の実施形態１に係るプロジェクタの光学系を示す概略構成図である。このプロジェクタは、３原色である赤、緑および青に対応する波長の光（以下、赤色光束、緑色光束および青色光束という）を発生する半導体発光素子光源としてのＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備える。なお、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、ＬＥＤチップ１ｒ，１ｇ，１ｂを基板上に２次元的配列で複数取り付けたものである。また、このプロジェクタにおいては、光変調装置として液晶パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを備える。ここで、これらの液晶パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂの光変調領域のサイズは、液晶パネル３Ｒと３Ｂが等しく、液晶パネル３Ｇが液晶パネル３Ｒと３Ｂより大きく設定されている。

ＬＥＤ光源１Ｒから出射した赤色光束は、集光レンズ２Ｒで集光されて、光変調装置である液晶パネル３Ｒに入る。液晶パネル３Ｒにおいて所定の画像情報に応じて変調された赤色光束は、補正レンズ４Ｒを通過して、液晶パネル３Ｇの光変調領域サイズと同じサイズの光束に拡大補正される。そして、この拡大補正された赤色光束が光合成装置としてのクロスダイクロイックプリズム５（以下、単にプリズム５という）に入射する。
同様に、ＬＥＤ光源１Ｂから出射した青色光束は、集光レンズ２Ｂで集光されて、光変調装置である液晶パネル３Ｂに入る。液晶パネル３Ｇにおいて所定の画像情報に応じて変調された青色光束は、補正レンズ４Ｂを通過して、液晶パネル３Ｇの光変調領域サイズと同じサイズの光束に拡大補正される。そして、この拡大補正された青色光束がプリズム５に入射する。
一方、ＬＥＤ光源１Ｇから出射した緑色光束は、集光レンズ２Ｇで集光されて、光変調装置である液晶パネル３Ｇに入る。液晶パネル３Ｇにおいて所定の画像情報に応じて変調された青色光束は、そのままプリズム５に入射する。
以上のようにして、サイズが揃えられた各色光束（像光）がプリズム５に入射し、そこで合成された後、投写レンズ６から投写される。なお、この例において、図中の６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに示した点線部分が投写レンズ６のフォーカス面となっている。

図１の場合、プロジェクタの全体の明るさを決定する緑色光束の光量を優先しつつ、他の２つの色光束に対応する液晶パネルを小さくしているので、液晶パネルのコストを下げることができる。しかも緑色光束の光路に補正レンズがないため、緑色光を効率良く利用できる。なお、図１において、液晶パネル３Ｒと液晶パネル３Ｂの光変調領域サイズを相違させて、それらの光路に光束拡大率の異なる補正レンズを備えるようにしてもよい。

図２は、本発明の実施形態２に係るプロジェクタの光学系を示す概略構成図である。このプロジェクタは、赤色光束、緑色光束および青色光束を発生する半導体発光素子光源としてのＬＥＤ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを備える。なお、ここでのＬＥＤ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、ＬＥＤチップ１１ｒ，１１ｇ，１１ｂを基板上に２次元的配列で複数取り付けたものである。また、このプロジェクタにおいては、光変調装置として液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを備える。ここで、これらの液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの光変調領域のサイズは、液晶パネル１３Ｒと１３Ｂが等しく、液晶パネル１３Ｇが液晶パネル１３Ｒと１３Ｂより大きく設定されている。

ＬＥＤ光源１１Ｒから出射した赤色光束は、集光レンズ１２Ｒで集光されて、光変調装置である液晶パネル１３Ｒに入る。液晶パネル１３Ｒにおいて所定の画像情報に応じて変調された赤色光束は、そのまま光合成装置としてのクロスダイクロイックプリズム１５（以下、単にプリズム１５という）に入射する。
同様に、ＬＥＤ光源１１Ｂから出射した青色光束は、集光レンズ１２Ｂで集光されて、光変調装置である液晶パネル１３Ｂに入る。液晶パネル１３Ｂにおいて所定の画像情報に応じて変調された青色光束は、そのままプリズム１５に入射する。
一方、ＬＥＤ光源１１Ｇから出射した緑色光束は、集光レンズ１２Ｇで集光されて、光変調装置である液晶パネル１３Ｇに入る。液晶パネル１３Ｇにおいて所定の画像情報に応じて変調された青色光束は、補正レンズ１４Ｂを通過して、液晶パネル１３Ｒ，１３Ｂの光変調領域サイズと同じサイズの光束に縮小補正される。そして、この縮小補正された緑色光束がプリズム１５に入射する。
以上のようにして、サイズが揃えられた各色光束（像光）がプリズム１５に入射し、そこで合成された後、投写レンズ１６から投写される。なお、この例において、図中の１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂに示した点線部分が投写レンズ１６のフォーカス面となっている。

図２の場合、全体の明るさを決定している緑色光の利用効率は少し低下するが、プリズム１５や投写レンズ１６のサイズを小さくできるので、それらのコストを引き下げることができる。なお、図２において、液晶パネル１３Ｒと液晶パネル１３Ｂの光変調領域のサイズを相違させて、それらのいずれかのパネルを基準に、他の光路に光束拡大率の異なる補正レンズを備えるようにしてもよい。また、図１、図２に示した補正レンズ４Ｒ，４Ｂ，１４Ｇは、１つの非球面レンズとしてもよく、また複数のレンズからなるレンズ群で構成してもよい。いずれにするかは、最終的に得たい画質に応じて選択すればよい。

実施例１（図１に対応する実施例）
ここでは、液晶パネル３Ｒ，３Ｂに０．７ｉｎＸＧＡの光変調領域サイズ（画面サイズと同じ）の液晶パネルを、液晶パネル３Ｇに１．４ｉｎＸＧＡの光変調領域サイズの液晶パネルを採用する。なお、それらの光透過率は、液晶パネル３Ｒ，３Ｂが２２％、液晶パネル３Ｇが２７．５％とする。また、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを構成するＬＥＤは、赤色光束用に０．５ｍｍ角チップ１ＷのＬＥＤチップ１ｒを、緑色光束と青色光束用に１ｍｍ角チップ２ＷのＬＥＤチップ１ｇ，１ｂを採用する。また、液晶パネル３Ｒ，３Ｂから出射してプリズム５に入射する光束のサイズを、液晶パネル３Ｇからプリズム５に入射する光束のサイズに揃えるための補正レンズ４Ｒ，４Ｂのレンズ効率を９０％とし、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから液晶パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂまでの間の光路効率を４０％と仮定する。さらに、ここでは投写光として９０００Ｋの白色光を得ることを前提としており、そのために上記３原色のＬＥＤ光源は、赤色光：緑色光：青色光＝２１：７６：４の光束比としている。なお、ここで使用するＬＥＤ１チップ当たりの輝度は、４４ｌｍ（赤色ＬＥＤ）、８０ｌｍ（緑色ＬＥＤ）、２０ｌｍ（青色ＬＥＤ）とする。

プロジェクタにおいて、最も良い出力効率が得られるのは、光源のエテンデューと液晶パネルのエテンデューが同じ時とされる。エテンデュー（etendue）は光源の幾何学的大きさと配光を示すもので、平面光源のエテンデューＥは以下の（１）式で得られる。
Ｅ＝πＡsin²（θ） … （１）
ただし、Ａは素子面積、θは発光面鉛直線と光線方向のなす角度である。
上記プロジェクタの場合、光源も液晶パネルも平面として扱えるので、（１）式より、それぞれのエテンデューが求められる（八木 隆明、「プロジェクタ用LED光源」、
O plus E 2004年3月号より）。

上記（１）式を基に、液晶パネル３Ｒ，３Ｇ，３ＢのエテンデューＥを計算してみると、最大入射角が１２度の０．７ｉｎの液晶パネルで２１．１（mm²ステラジアン）、最大入射角が１２度の１．４ｉｎの液晶パネルで８３．７（mm²ステラジアン）となる。
また、ＬＥＤチップのエテンデューＥを計算してみると、０．５mm角のチップで０．８（mm²ステラジアン）、１mm角のチップで３．１（mm²ステラジアン）となる。
これらを基に、光源のエテンデューを液晶パネルのエテンデューと等しくするために必要なＬＥＤチップの個数（理想個数）は、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇで２７個、ＬＥＤ光源１Ｂで７個となる。

一方、３原色の中で最大の光量が必要となる緑色光束のプリズム５の入射面における光束量Ｇｐは、次の（２）式により算出できる。
Ｇｐ＝ＬＥＤ理想個数×ＬＥＤ１チップ当たりの輝度×上記光路効率
×液晶パネルの透過率×補正レンズの効率 … （２）
従って、ＬＥＤチップの個数が理想とされる２７の場合の緑色光束量Ｇｐは、（２）式に先に定めた値を代入して、２３７．６ｌｍとなる。また、この緑色光束量Ｇｐを基準として、プリズム５の入射面における赤色光束量Ｒｐと青色光束量Ｂｐの必要光束量は、その緑色光束量Ｇｐと白色光を得るための各色光束の比率から求まる。その結果は、赤色光束量Ｒｐ＝６５．７ｌｍ、青色光束量Ｂｐ＝１２．５ｌｍとなる。

以上の各光量を得るためには、緑色光束用には理想個数の２７個のＬＥＤチップ１ｇが必要となる。これに対して、赤色光束用には理想個数より少ない１９個のＬＥＤチップ１ｒが必要となり、青色光束用には理想個数より少ない８個のＬＥＤチップ１ｂが必要となる。以上の結果をまとめると表１のようになる。

実施例２（図２に対応する実施例）
ここでは、液晶パネル１３Ｒ，１３Ｂに０．７ｉｎＸＧＡの光変調領域サイズ（画面サイズと同じ）の液晶パネルを、液晶パネル１３Ｇに１．４ｉｎＸＧＡの光変調領域サイズの液晶パネルを採用する。なお、それらの光透過率は、液晶パネル１３Ｒ，１３Ｂが２２％、液晶パネル１３Ｇが２７．５％とする。また、ＬＥＤ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを構成するＬＥＤは、赤色光束用に０．５ｍｍ角チップ１ＷのＬＥＤを、緑色光束と青色光束用に１ｍｍ角チップ２ＷのＬＥＤを採用する。また、液晶パネル１３Ｇから出射してプリズム１５に入射する光束のサイズを液晶パネル１３Ｒ，１３Ｂからプリズム１５に入射する光束のサイズに揃えるための補正レンズ１４Ｇのレンズ効率を８０％とし、ＬＥＤ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂまでの間の光路効率を４０％と仮定する。さらに、ここでは投写光として９０００Ｋの白色光を得ることを前提としており、そのために上記３原色のＬＥＤ光源は、赤色光：緑色光：青色光＝２１：７６：４の光束比としている。なお、ここで使用するＬＥＤ１チップ当たりの輝度は、４４ｌｍ（赤色ＬＥＤ）、８０ｌｍ（緑色ＬＥＤ）、２０ｌｍ（青色ＬＥＤ）とする。

以上の前提を基に、実施例１で行ったのと同様の方法により、各色光束毎に必用となるＬＥＤチップの個数が算出できる。その結果、緑色光束用に理想個数の２７個のＬＥＤチップ１１ｇを採用した場合、赤色光束用には１４個のＬＥＤチップ１１ｒが必要となり、青色光束用には６個のＬＥＤチップ１１ｂが必要となる。以上の結果をまとめると表２のようになる。

ところで、実施例１，２で示した実際に使用するＬＥＤチップの数は、切り上げ計算により得たものであり、またＬＥＤチップの製品ばらつきも考慮すれば、所定の白色光を得るためには、光源のＬＥＤチップの消費電流を調整してその発光量を調整できるようにしていることが好ましい。なお、ＬＥＤチップの消費電流を調整してその発光量を調整する代わりに、液晶パネルの開度量を場所毎個別に調整して、各色光束の出射光量を調整してもよい。例えば、液晶パネルのドット開度量を１／３にすれば、ＬＥＤチップの消費電流を１／３にしたのと同じ効果が得られる。さらに、液晶パネル３Ｒ，３Ｂ，１３Ｒ，１３Ｂ関しては、０．７ｉｎＸＧＡのパネルに代えて、０．５ｉｎＸＧＡのパネルを使用してもよい。

以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、光源を構成する半導体発光素子としてＬＥＤを用いているが、これに代えて有機ＥＬ発光素子やレーザーダイオード等を用いることができる。また、光源から出射された光の集光レンズと光変調装置との間に、フライアイレンズやロッドインテグレータ等を配置することもでき、その場合には照明光を波面分割と重畳とによってさらに均一化して光変調装置の被照射領域に入射させることができる。さらに、上記実施形態では、光変調装置に透過型の液晶パネルを用いたが、反射型の液晶素子や多数のマイクロミラーを用いたデバイス（ＴＩ社のデジタルミラーデバイス相当品）等によりそれを構成することもできる。

本発明の実施形態１に係るプロジェクタの光学系を示す概略構成図である。 本発明の実施形態２に係るプロジェクタの光学系を示す概略構成図である。

符号の説明

１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…ＬＥＤ光源、１ｒ，１ｇ，１ｂ…ＬＥＤチップ、２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ…集光レンズ、３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ…液晶パネル、４Ｂ，４Ｒ…補正レンズ、５…クロスダイクロイックプリズム（プリズム）、６…投写レンズ、６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ…投写レンズのフォーカス面、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ…ＬＥＤ光源、１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ…ＬＥＤチップ、１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…集光レンズ、１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ…液晶パネル、１４Ｇ…補正レンズ、１５…クロスダイクロイックプリズム（プリズム）、１６…投写レンズ、１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ…投写レンズのフォーカス面。

Claims (9)

1. 複数の色光束を合成して投写光とするプロジェクタにおいて、
   前記各色光束毎に配置された半導体発光素子光源と、
   前記各色光束を画像情報に基づいてそれぞれ変調し画像を形成する光変調装置であってその光変調領域サイズが各色光束毎に定められた光変調装置と、
   前記各光変調装置で変調された各色光束を合成する光合成装置と、
   前記光合成装置から出射された合成光を投写する投写レンズとを備え、
   前記光合成装置に入射する色光束のサイズを予め定めたサイズに変更する補正レンズを、前記各光束の光路のうちの少なくとも１つの光路の前記光変調装置と前記光合成装置の間に配置して、前記光合成装置に入射する各色光束のサイズを揃えたこと、を特徴とするプロジェクタ。
2. 前記半導体発光素子光源をＬＥＤから構成し、各光源毎に定めた個数のＬＥＤを配置して前記投写光が白色光となるようにしたことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
3. 前記複数の色光束が赤、緑、青の３種類であるものにおいて、
   各色光束に対応する各光変調装置の光変調領域サイズのうち、少なくとも１の光変調装置のサイズを他の光変調装置のサイズより大きくするか又は小さくし、これに対応する光路に、前記光合成装置に入射する各色光束のサイズを揃えるための光束サイズ縮小用もしくは光束サイズ拡大用の前記補正レンズを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のプロジェクタ。
4. 前記複数の色光束が赤、緑、青の３種類であるものにおいて、
   前記緑色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズを、前記赤色光束および前記青色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズより大きくし、
   前記赤色光束および青色光束に対応する光路に、それらの光束のサイズを拡大させる前記補正レンズを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のプロジェクタ。
5. 前記複数の色光束が赤、緑、青の３種類であるものにおいて、
   前記緑色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズを、前記赤色光束および前記青色光束に対応する光変調装置の光変調領域サイズより大きくし、
   前記緑色光束に対応する光路に、その光束のサイズを縮小させる前記補正レンズを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のプロジェクタ。
6. 前記補正レンズが１つの非球面レンズであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のプロジェクタ。
7. 前記補正レンズが複数のレンズからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のプロジェクタ。
8. 前記各色光束の光束量の調整を、前記半導体発光素子の消費電力量を調整して行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のプロジェクタ。
9. 前記光変調装置が液晶パネルである場合に、前記各色光束の光束量の調整を、前記液晶パネルの場所毎にその開度量を調整して行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のプロジェクタ。
   
   
   

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