画像合成投影装置

【目的】光透過型の複数の液晶パネルを透過した光束を、それぞれの液晶パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像投影装置において、複数の液晶パネルによる像を正確に一致させて合成することができる画像合成投影装置を得ること。
【構成】コンデンサレンズを、対応する液晶パネルの光束出射側に配置し、かつこのコンデンサレンズを、光軸と直交する方向に位置調節する位置調節手段または（および）コンデンサレンズ光軸の正規光軸に対する傾斜角度を調整するチルト調整機構を設けた画像合成投影装置。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は、光透過型の画像パネル、例えば液晶パネルを用いた画像合成投影装置に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】例えば三板式液晶カラープロジェクタは、光源からの白色光束をダイクロイックミラーによって赤、緑、青の三色の光束に分光し、この三色の光束を、それぞれ赤、緑、青の画像情報を表示する三枚の液晶パネルに入射させ、この光束を各液晶パネルに対応するコンデンサレンズ等の光束合成手段および投影レンズを介して、スクリーン上に投影し、カラー画像を得る。従来装置においては、液晶パネルの光束入射側にコンデンサレンズが配置されていた。
【０００３】一方、液晶パネルは、入射する光束が平行光束でないと、光線の角度差により、光の透過率にばらつきが生じること（透過率の角度依存性）が知られている。従って従来装置のように、液晶パネルの入射側にコンデンサレンズを配置すると、コンデンサレンズによる集束光が液晶パネルに入射するため、この透過率の角度依存性が生じ、好ましくない。そこで、最近のこの種の画像合成投影装置では、液晶パネルの光束出射側にコンデンサレンズを配置して、液晶パネルに平行光束を入射させ、出射した光束をコンデンサレンズで集光する構成がとられている。
【０００４】ところが、このように液晶パネルの出射側にコンデンサレンズを配置すると、次の新たな問題が生じることが明らかとなった。すなわち、三板式液晶プロジェクタでは、三枚の液晶パネルによる像を正確に一致させないと、明瞭な画像が得られない。液晶パネルの出射側にコンデンサレンズを配置した場合、コンデンサレンズの光軸の投影レンズ光軸からのずれは、特に歪曲収差に影響が表われる。この場合の歪曲収差は非対称性を有するため、三枚の液晶パネルそれぞれにおいて、コンデンサレンズの光軸の正規光軸からのずれ量が異なると、三枚の液晶パネルの投影像の形が異なり、投影像を正碓に一致させることができず、その合成像は、非常に見苦しい。
【０００５】また台形歪に着目すると、三色の液晶パネル、各液晶パネルに対応するコンデンサレンズ、および三色の像を合成して投影する投影レンズ等に、取付誤差がある場合、三色の台形歪が生じ、これらが投影面で重ならない状態が生じる。従来、この複数の台形歪を除去し、あるいは重ねるためには、各要素を正確に位置合わせする以外に方法がなく、非常に煩雑な調整作業を必要とした。
【０００６】これに対し、液晶パネルの入射側にコンデンサレンズを配置した場合には、コンデンサレンズ光軸の正規光軸からのずれは、理論的には照明ムラの原因となる。しかし、光軸ずれに対する許容値は大きく、また歪曲収差および台形歪に対する悪影響は生じない。このため従来の画像合成投影装置においては、コンデンサレンズの位置調整について、何ら考慮が払われていなかった。
【０００７】
【発明の目的】本発明は、このような背景に鑑み、複数の液晶パネルの出射側にそれぞれコンデンサレンズを配置する画像合成投影装置において、複数の液晶パネルによる像を正確に一致させて合成することができる画像合成投影装置を得ることを目的とする。本発明は特に、複数のコンデンサレンズによる歪曲収差を含む像、または（および）台形歪を含む像を、正確に一致させる調整を簡単に行なうことができる画像合成投影装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、その一態様によると、光透過型の複数の画像パネルを透過した光束を、それぞれの画像パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像合成投影装置において、コンデンサレンズを、対応する画像パネルの光束出射側に配置したこと、およびこのコンデンサレンズを、光軸と直交する方向に位置調節する位置調節手段を設けたことを特徴としている。
【０００９】各コンデンサレンズを光軸と直交する方向に位置調整可能とすると、歪曲収差を含む複数の像を同じ形状にすることができ、さらに調整された各コンデンサレンズと画像パネルを一体にして、それぞれの画像パネルの光軸と直交する方向の相対位置を調整することにより、複数の像を容易に正確に重ねあわせることができる。コンデンサレンズとしては、球面レンズ、非球面レンズ、あるいはフレネルレンズ等を用いることができる。
【００１０】さらにコンデンサレンズとして、投影レンズ光軸に対して偏心した光軸を有する偏心レンズを用いることができる。この偏心レンズによれば、液晶パネルに対して斜めに光束を入射させて優れた光学特性を得ることができ、かつその偏心量の設定により、上記と同様の作用効果が得られる。
【００１１】また本発明は、別の態様によると、光透過型の複数の画像パネルを透過した光束を、それぞれの画像パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像合成投影装置において、コンデンサレンズを、対応する画像パネルの光束出射側に配置したこと、およびこのコンデンサレンズ光軸の正規光軸に対する傾斜角度を調整するチルト調整機構を設けたことを特徴としている。このようなチルト調整機構を設けると、台形歪を修正する調整を簡単に行なうことができる。
【００１２】本発明の画像合成投影装置は、調整後の状態において捕らえれば、コンデンサレンズの光軸と投影レンズの光軸とが不一致であることに特徴がある。あるいはさらに画像パネルの中心が投影レンズの光軸からずれていると捕らえることもできる。
【００１３】
【実施例】以下図示実施例について本発明を説明する。図１は、本発明が対象とする画像合成投影装置の一例を示すもので、白色照明光を発する光源１０から発した平行光束は、コールドミラー１１で反射した後、Ｒダイクロイックミラー１２およびＢダイクロイックミラー１３によって反射および分離される。
【００１４】Ｒダイクロイックミラー１２は、Ｒ（赤）成分のみを反射し、その反射光は、アルミミラー１４で反射した後、Ｒ液晶ユニット１５に入射する。Ｒ液晶ユニット１５を出た光束は、Ｒ成分を透過するＢダイクロイックミラー１６およびＢ（青）成分およびＲ成分を透過するＧダイクロイックミラー１７を透過した後、投影レンズ１８に入射する。
【００１５】Ｂダイクロイックミラー１３は、Ｂ成分のみを反射し、その反射光は、Ｂ液晶ユニット２０に入射する。Ｂ液晶ユニット２０を出た光束は、Ｂダイクロイックミラー１６で反射し、Ｇダイクロイックミラー１７を透過した後、投影レンズ１８に入射する。
【００１６】一方、Ｒダイクロイックミラー１２およびＢダイクロイックミラー１３を透過した光束は、Ｇ（緑）液晶ユニット２１に入射し、アルミミラー２２およびＧダイクロイックミラー１７で反射した後、投影レンズ１８に入射する。
【００１７】Ｒ液晶ユニット１５は、Ｒ液晶パネル１５Ｐと、このＲ液晶パネル１５Ｐの出射側に配置されたコンデンサレンズ１５Ｌを有している。同様に、Ｂ液晶ユニット２０は、Ｂ液晶パネル２０Ｐと、このＢ液晶パネル２０Ｐの出射側に配置されたコンデンサレンズ２０Ｌを有し、Ｇ液晶ユニット２１は、Ｇ液晶パネル２１Ｐと、このＧ液晶パネル２１Ｐの出射側に配置されたコンデンサレンズ２１Ｌを有している。Ｒ液晶パネル１５Ｐは、投影すべきカラー画像の赤色の画像情報を出力し、Ｂ液晶パネル２０Ｐは青色の画像情報を出力し、Ｇ液晶パネル２１Ｐは緑色の画像情報を出力する。そして、これらの画像情報が、以上の光学系により重ね合わされ、投影レンズ１８を介してスクリーン上に投影される。
【００１８】コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌはそれぞれ、Ｒ液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐの出射側に配置されている。つまり、コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌには、光源１０からの平行光束が入射し、従って、これらは光線の角度による透過率変化（減少）を生じることがない。またこれらのコンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌは、対応する液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐを透過した光束をそれぞれ投影レンズ１８の瞳に集光させる。
【００１９】各液晶ユニット１５（２０、２１）は、コンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）を光軸と直交する方向に位置調節する位置調節機構を備えている。図４R>４および図５は、その第一の実施例を示すもので、平行平面板からなる基板２５には、開口２６が形成され、この開口２６の一側に各液晶パネル１５Ｐ（２０Ｐ、２１Ｐ）が固定されている。基板２５には、開口２６の他側に、コンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）が接触しており、上下の板ばね２７によって、該開口２６に挟着されている。板ばね２７は、一端を固定ねじ２９によって基板２５に固定したものである。従って、この板ばね２７の力に抗し、基板２５表面に沿ってコンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）を移動させることにより、該レンズを光軸Ｏと直交する方向に位置調節することができる。
【００２０】図６および図７は、位置調節機構の別の例を示す。この実施例は、コンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）の支持機構が異なるだけで、基本構成は図４R>４および図５の実施例と同じである。コンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）は、その外縁部三か所に、遊孔３０を有し、この遊孔３０に、基板２５に螺合固定された固定ねじ３１が挿通されている。固定ねじ３１の頭部３１ａとワッシャ３２との間には、圧縮ばね３３が挿入されていて、コンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）を基板２５側に押し付けている。従って、この実施例によれば、遊孔３０と固定ねじ３１との間のクリアランスだけ、コンデンサレンズ１５Ｌ（２０Ｌ、２１Ｌ）を光軸Ｏと直交する方向に位置調節することができる。
【００２１】図２および図３は、図１の光学系による合成投影像について、特にコンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌの歪曲収差に着目した調節後と調節前の模式図である。いま各液晶ユニット１５、２０および２１のいずれか一つのコンデンサレンズの光軸Ｏが正規の光軸上に位置しているとし、そのときの歪曲収差を含む像が、図３に実線で示す像Ｘとして表われているとする。これに対し、他の２つのコンデンサレンズの光軸Ｏが正規光軸からずれていると、その像は、歪曲収差の非対称性により、破線で示す像Ｙ、および二点鎖線で示す像Ｚとして表われ、像Ｘと一致しない。像Ｙは、光軸Ｏが短辺方向にずれた場合、像Ｚは、同長辺方向にずれた場合を示している。このように三色の像が一致しないと、合成像は非常に見苦しい像となる。
【００２２】本発明によると、このような三色の像のずれを簡単に調整することができる。すなわち、上の例では像Ｙおよび像Ｚについてのコンデンサレンズを光軸と直交する所定の方向に動かし、像Ｘに重ねる調整を行なう。すなわち図４および図５の実施例では、板ばね２７の力に抗し基板２５表面に沿わせて、また図６および図７R>７の実施例では、圧縮ばね３３の力に抗し、同様に基板２５の表面に沿わせて、コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌまたは２１Ｌを光軸Ｏと直交する所定の方向に動かせばよい。調整が完了すると、図２のように、三つの像Ｘ、Ｙ、Ｚが重なる。この調整は、投影像を見ながら行なうことができる。
【００２３】図８は、本発明を適用する画像合成投影装置の他の例を示すものである。この画像合成投影装置は、画像合成手段として、ダイクロイックプリズム４０を用いたもので、図１の装置と同一の構成要素には同一の符号を付している。ダイクロイックプリズム４０は、図示例では、互いに直交するＲ反射面４１とＢ反射面４２を有する周知のもので、これによって合成された像が投影レンズ１８を介してスクリーン４４に投影される。
【００２４】この例においても、各液晶ユニット１５、２０および２１内のコンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌは、例えば図４ないし図７に示す機構により、それぞれその光軸Ｏと直交する方向に位置調整可能である。従って、先の実施例と同じ作用を得ることができる。
【００２５】以上の実施例のように、コンデンサレンズと投影レンズとの間に、光軸と直交する方向のシフト系を設けることにより、投影系の中心をコンデンサレンズ光軸とずれた位置に歪なく投影することができる。
【００２６】図９は、本発明の別の実施例を示す。この実施例は、特開昭６２−１９８３４号広報で提案された偏心レンズを用いた光学系を本発明に適用したものである。液晶パネルは、平行光を斜めに入射させた方がその光学特性が良い。そこで、同図に示すように、液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐに対して、対応する色の光束Ｆを斜めに入射させるとともに、これらの液晶パネルの光束出射側に、コンデンサレンズとしての偏心フレネルレンズ１５Ｆ、２０Ｆおよび２１Ｆを配置し、これらの偏心フレネルレンズを通過した光束を単一の投影レンズ１８に入射させている。偏心フレネルレンズ１５Ｆ、２０Ｆおよび２１Ｆの光軸ＯＦは、投影レンズ１８の光軸Ｏに対して距離ｅだけ偏心している。図では、三枚の液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐの像の合成光学系は省略している。勿論偏心フレネルレンズは、フレネル以外の偏心レンズでもよい。
【００２７】この実施例によれば、コンデンサレンズとして偏心フレネルレンズを用いることにより小型化ができ、この偏心フレネルレンズ１５Ｆ、２０Ｆおよび２１Ｆの偏心量（コンデンサレンズ１８との偏心量）を調整（設定）することにより、先の実施例と同様に、三枚の液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐの形状を同一とすることができ、正しい合成画像を得ることができる。
【００２８】次に図１０ないし図１３は、コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌによる台形歪を重ねるためのチルト調整機構５０の原理を示すものである。コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌは、先の実施例と同じく、液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐの光線出射側に配置されている。そしてこのコンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌは、正規光軸Ｏ（該コンデンサレンズ光軸ＣＯ）と直交する、直交二軸ＰおよびＱを中心にそれぞれ回動調整可能となっている。このような回動調整機構自体は各種知られており、本発明は、調整機構自体の構成を問うものではないので、図示を省略する。このように、コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌにチルト機構５０を設けると、台形歪を除去し、あるいはその方向を調整することが可能となる。
【００２９】図１３は、３色の台形歪が重ならない場合の模式図である。この図では、実線、破線、および二点鎖線で示す台形歪Ｄ１、Ｄ２およびＤ３が重なっていない。従来装置においては、このような不一致な台形歪が生じた場合、コンデンサレンズ、液晶パネル、投影レンズ等の要素の位置を正確に再調整する以外に方法がなかった。ところが本発明によると、チルト機構５０によってコンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌの光軸ＣＯの方向を変化させることにより、この台形歪を修正することができ、像を重ね合わせることができる。従って、簡単に台形歪の調整ができる。
【００３０】チルト機構５０は、図１０に示すように、コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌのみを可動にしても、図１１に示すように、液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐが一体に回動するようにしてもよい。
【００３１】図１４は、従来例を示す。この従来例は、図１に対応するもので、各液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐの入射側にコンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌが位置している。この従来例では、各液晶パネル１５Ｐ、２０Ｐおよび２１Ｐに、平行光束でなく角度を持った光が入射するので、透過率に角度異存性が生じる。一方、コンデンサレンズ１５Ｌ、２０Ｌおよび２１Ｌの光軸と直交する方向へのずれは、照明光の集光位置が投影レンズ１８の光軸からシフトすることに相当し、照明ムラの原因となるが、このずれは許容度が高く、また本発明が問題としたような像の位置ずれは生じない。
【００３２】
【発明の効果】以上のように本発明の画像合成投影装置によれば、複数の像を合成投影する画像合成投影装置において、各透過型画像パネルに対応するコンデンサレンズを、画像パネルの光束出射側に配置したため、画像パネルに平行光束を入射させることができ、従って、画像パネルの光束透過率を角度異存性のない良好なものとすることができる。そして、このコンデンサレンズを、光軸と直交する方向に位置調節する位置調節手段を設けたので、歪曲収差の非対称性を修正することができ、複数の画像を正しく重ね合わせて、高精度の画像を得ることができる。請求項５および６の画像合成投影装置によれば、複数の投影像の台形歪をなくし、あるいは少なくとも重ねる調整をチルト調整機構によって簡単に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象とする投影装置の一例を示す光学系統図である。
【図２】図１の投影装置による歪曲収差の例を示す正面図である。
【図３】図１の投影装置による歪曲収差の他の例を示す正面図である。
【図４】本発明の画像調整装置の一実施例を示す正面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図６】本発明の画像調整装置の他の実施例を示す正面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の対象とする投影装置の他の例を示す光学系統図である。
【図９】本発明の画像調整装置の他の実施例を示す光学系統図である。
【図１０】本発明の画像合成投影装置の他の実施例を示す要部の斜視図である。
【図１１】図１０の装置によるコンデンサレンズのチルトの状態を誇張して示す光学図である。
【図１２】コンデンサレンズと液晶パネルを同時にチルトさせる状態を誇張して示す光学図である。
【図１３】複数の液晶パネルによる像の台形歪が重ならない状態を誇張して示す正面図である。
【図１４】従来の投影装置の光学系統図である。
【符号の説明】
１０光源
１２１３１６１７ダイクロイックミラー
１５２０２１液晶ユニット
１５Ｐ２０Ｐ２１Ｐ液晶パネル
１５Ｌ２０Ｌ２１Ｌコンデンサレンズ
１５Ｆ２０Ｆ２１Ｆ偏心フレネルレンズ
２５基板
２６開口
２７板ばね
２９固定ねじ
３０遊孔
３１固定ねじ
３２ワッシャ
３３圧縮ばね
４０ダイクロイックプリズム
５０チルト機構

【特許請求の範囲】
【請求項１】光透過型の複数の画像パネルを透過した光束を、それぞれの画像パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像合成投影装置において、上記コンデンサレンズが、対応する画像パネルの光束出射側に配置されていること、および、このコンデンサレンズを、光軸と直交する方向に位置調節する位置調節手段を有すること、を特徴とする画像合成投影装置。
【請求項２】光透過型の複数の画像パネルを透過した光束を、それぞれの画像パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像合成投影装置において、上記コンデンサレンズが、対応する画像パネルの光束出射側に配置されていること、および、このコンデンサレンズが、投影レンズ光軸に対して偏心した光軸を有する偏心レンズからなっていること、を特徴とする画像合成投影装置。
【請求項３】光透過型の複数の画像パネルを透過した光束を、それぞれの画像パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像合成投影装置において、上記コンデンサレンズの光軸と、投影レンズの光軸とが不一致であることを特徴とする画像合成投影装置。
【請求項４】請求項２または３において、画像パネルの中心が投影レンズの光軸からずれている画像合成投影装置。
【請求項５】光透過型の複数の画像パネルを透過した光束を、それぞれの画像パネルに対応するコンデンサレンズ、光束合成手段および投影レンズを介して合成投影する画像合成投影装置において、上記コンデンサレンズが、対応する画像パネルの光束出射側に配置されていること、および、このコンデンサレンズ光軸の正規光軸に対する傾斜角度を調整するチルト調整機構を有すること、を特徴とする画像合成投影装置。
【請求項６】請求項５において、チルト調整機構は、コンデンサレンズとこれに対応する画像パネルとを一体に回動させる画像合成投影装置。

【図１】