JP2013250378A - 照明光学系及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系の品質や投影像の画質に影響されることなく、画像表示素子で発生するゴースト光を効果的に低減させる照明光学系及びこの照明光学系を有するプロジェクタを提供する。
【解決手段】プロジェクタ装置１００に搭載される照明光学系２０は、光源装置２から出射された光の光束断面の径が、この光束断面内の少なくとも２つの方向で異なるように集光する集光光学系（コレクタレンズ８）と、光束断面を、複数の領域を有し、各々の領域の径が少なくとも２つの方向で異なるとともに、光束断面の長手方向と領域の短手方向とが略一致するように配置された領域に分割する光分割素子（マイクロレンズアレイ１０）と、光束断面の周辺部分のうち、短手方向より長手方向をより多く遮光する第１遮光部１１と、複数の領域の光の各々を重ね合わせて所定の照明領域に照射する重畳光学系（第１及び第２コンデンサレンズ１２，１４）と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光学系及びプロジェクタ装置に関する。

プロジェクタ装置は、液晶デバイス（ＬＣＤ，ＬＣＯＳ）やＤＭＤ等の画像表示素子をライトバルブとして用い、その表示画像を投影光学系によりスクリーン等に拡大投影する装置である。このようなプロジェクタ装置において、画像表示素子の表示領域以外の部分に照明光が照射されると、このような部分で反射した光が投影面に入射し、ゴーストの原因となってしまう。そのため、照明光学系において、照明光及び絞り形状を工夫し、ゴーストの発生を低減させるように構成されたプロジェクタ装置（画像表示装置）がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−０３３３３９号公報

しかしながら、照明光の形状を変えると、投影光学系のＦ値をより小さくする必要があり、コントラストが低下して高品質な投影像を得ることができないという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、投影光学系の品質や投影像の画質に影響されることなく、画像表示素子で発生する迷光を効果的に低減させる照明光学系及びこの照明光学系を有するプロジェクタ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る照明光学系は、光源から出射された光の光束断面の径が、この光束断面内の少なくとも２つの方向で異なるように集光する集光光学系と、この集光光学系から出射した光の光束断面を、複数の領域を有し、各々の領域の径が少なくとも２つの方向で異なるとともに、光束断面の長手方向と領域の短手方向とが略一致するように配置された領域に分割する光分割素子と、光分割素子の近傍に配置され、光束断面の周辺部分のうち、短手方向より長手方向をより多く遮光する第１遮光部と、光分割素子により分割された領域の光の各々を重ね合わせて所定の照明領域に照射する重畳光学系と、を有することを特徴とする。

このような照明光学系において、集光光学系は、領域の短手方向よりも長手方向の方が屈折力が強くなるように構成されていることが好ましい。

また、このような照明光学系において、光源は、面発光する光源、正方形又は矩形の発光部を持つ光源、又は、体積を持つ光源であることが好ましい。

また、このような照明光学系は、照明領域の周辺部分に第２遮光部を有することが好ましい。

また、このような照明光学系において、第１遮光部は、反射体であることが好ましい。

また、このような照明光学系において、第１遮光部は、この第１遮光部で反射した光が光源に入射する向き及び形状を有していることが好ましい。

また、本発明に係るプロジェクタ装置は、光源と、表示領域を有する画像表示素子と、光源からの光を表示領域に照射する上述の照明光学系のいずれかと、画像表示素子の表示領域で反射した光を投影面に投影する投影光学系と、を有することを特徴とする。

このようなプロジェクタ装置において、投影光学系は、光分割素子の射出面と略共役な位置に配置された絞りを有し、光源からの光により、絞り上に形成される光分割素子の射出面の像の形状は、第１遮光部の開口部の形状により、絞りの開口部の形状と略同一あるいはそれより小さくなるように構成されていることが好ましい。

また、このようなプロジェクタ装置において、光分割素子は、２次元的に配置された複数の単位レンズから構成されるマイクロレンズアレイであることが好ましい。

また、このようなプロジェクタ装置において、画像表示素子の表示領域は略矩形形状を有し、マイクロレンズアレイの単位レンズの断面形状は、表示領域と略相似形状であることが好ましい。

本発明によれば、投影光学系の品質や投影像の画質に影響されることなく、画像表示素子で発生する迷光を効果的に低減させる照明光学系及びこの照明光学系を有するプロジェクタを提供することができる。

投影ユニットの構成を示す説明図である。 マイクロレンズアレイの構成を示す説明図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は長手方向の断面図であり、（ｃ）は短手方向の断面図である。 従来の照明光学系により画像表示素子の表示領域に照射される照明光の状態を示す説明図である。 マイクロレンズアレイ、照明光束及び第１遮光部の開口部の関係を示す説明図である。 本実施形態に係る照明光学系により画像表示素子の表示領域に照射される照明光の状態を示す説明図である。 プロジェクタ装置を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本実施形態に係る照明光学系を有するプロジェクタ装置の投影ユニットの構成について説明する。この投影ユニット１は、赤色成分の光を放射する第１光源３、緑色成分の光を放射する第２光源４及び青色成分の光を放射する第３光源５を有し、２枚のダイクロイックミラー６，７を用いてこれらの第１〜第３光源３〜５からの光を重ね合わせることにより白色の照明光を放射する光源装置２と、反射型の画像表示素子（例えば、ＤＭＤ（Digital Mirror Device））１６と、光源装置２から放射された照明光を画像表示素子１６の表示領域１６ａに照射する照明光学系２０と、この画像表示素子１６の表示領域１６ａで反射された光の像を実像として投影面（スクリーン等）に拡大投影する投影光学系３０と、を有して構成されている。

光源装置２は、赤色成分の光を反射し、それよりも波長の短い光を透過する第１ダイクロイックミラー６と、青色成分の光を反射し、それよりも波長の長い光を透過する第２ダイクロイックミラー７とを交差させて配置し、第１光源３から出た赤色成分の光を第１ダイクロイックミラー６で反射させ（このとき、第２ダイクロイックミラー７は透過する）、第３光源５から出た青色成分の光を第２ダイクロイックミラー７で赤色成分と同じ方向に重なるように反射させ（このとき、第１ダイクロイックミラー６は透過する）、また、第２光源４から出た緑色成分の光を第１及び第２ダイクロイックミラー６，７を透過させて、赤色成分及び青色成分と同じ方向に重ね合わせることにより、白色の照明光を放射するように構成されている。なお、光源装置２はこの図１の構成に限定されることはなく、白色光を放射する１つのＬＥＤを光源を用いても良いし、２枚のダイクロイックミラー６，７を交差させず、光軸上に並べて３つの光を重ね合わせるように構成しても良い。

また、照明光学系２０は、光源装置２と画像表示素子１６との間に配置されており、光源装置２側から順に、集光光学系の一実施形態であるコレクタレンズ８と、第１反射鏡９と、マイクロレンズアレイ１０と、第１の遮光部１１と、第１コンデンサレンズ１２と、第２反射鏡１３と、第２コンデンサレンズ１４と、ＴＩＲ（内部全反射）プリズム１５と、を有して構成されている。また、投影光学系３０は、照明光学系２０とＴＩＲプリズム１５を共用し、画像表示装置１６側から順に、ＴＩＲプリズム１５と、投射レンズ１７と、を有して構成されている。また、投射レンズ１７には絞り１８が設けられている。また、照明光学系２０に含まれる第１及び第２反射鏡９，１３は、照明光学系２０の光路を折り曲げて全体をコンパクトにするためのものであるため、無くても良いし、他の位置に配置しても良い。また、ＴＩＲプリズム１５は、２つの三角プリズムが組み合わされており、照明光学系２０を通って入射した照明光を内部で全反射させて画像表示素子１６の表示領域１６ａに導くとともに、この表示領域１６ａで反射された光を透過させて投影光学系３０に導くように構成されている。この画像表示素子１６の表示領域１６ａで反射された光の像は、投射レンズ１７により実像として投影面に拡大投影される。なお、画像表示素子１６としてＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を用いた場合には、ＴＩＲプリズム１５の代わりに偏光ビームスプリッタが用いられる。また、図１の構成は一例であり、ＴＩＲプリズム１５を透過した照明光を画像表示素子１６に照射し、この画像表示素子１６で反射した光をＴＩＲプリズム１５で反射させて投影光学系３０に導くように構成しても良い。

ここで、コレクタレンズ８は、その前側焦点位置（光源装置２側の焦点位置）に第１〜第３光源３〜５が略一致するように配置され、光源装置２から放射された照明光を略平行光束に変換してマイクロレンズアレイ１０に照射する。このマイクロレンズアレイ１０は、図２に示すように、複数の単位レンズ１０ａが、それらの入射面及び射出面の各々において、各面の頂点が同一平面上に配置されて構成されている。また、この単位レンズ１０ａは、その両面の曲率半径（の絶対値）が等しく、これらの面の頂点がそれぞれ反対側の面から平行光を入射させたときの焦点となっている。そのため、本実施形態の照明光学系２０において、第１〜第３光源３〜５とマイクロレンズアレイ１０の射出面とが略共役となる。また、このマイクロレンズアレイ１０は、集光光学系であるコレクタレンズ８から出射した光の光束断面（瞳）を複数の領域に分割する光分割素子としての機能を有している。

さらに、第１及び第２コンデンサレンズ１２，１４は、マイクロレンズアレイ１０を構成する各々の単位レンズ１０ａの入射面の像を、画像表示素子１６上に重ね合わせて投影する重畳光学系の機能を有している。例えば、第１〜第３光源３〜５としてＬＥＤを用いた場合、この第１〜第３光源３〜５からの放射角度特性により中心が明るく周辺が暗く照明されるが、上述の照明光学系２０では、マイクロレンズアレイ１０の各単位レンズ１０ａの入射面の像が重畳的に画像表示素子１６に投影されるため、この画像表示素子１６全体での照度の均一性が向上する。

また、画像表示素子１６は、テレビ放送や映画等の映像を表示するために、その表示領域１６ａは、直交する２辺の長さが異なる矩形形状を有している。例えば、テレビのハイビジョン規格に対応するためには、表示領域１６ａのアスペクト比が１６：９のものが用いられる。また、パーソナルコンピュータ等のモニタ用途では、４：３のアスペクト比のものが用いられる場合もある。そのため、マイクロレンズアレイ１０を構成する各々の単位レンズ１０ａの断面形状も、画像表示素子１６の表示領域１６ａと略相似形状を有している。

図２（ｂ），（ｃ）に示すように、このようなマイクロレンズアレイ１０を構成する単位レンズ１０ａの入射面に、当該単位レンズ１０ａの射出面に到達しない光が入射すると、この光線が、入射した入射面を有する単位レンズ１０ａの射出面から射出することができず、画像表示素子１６の表示領域１６ａに到達することができない。特に、上述のような形状の単位レンズ１０ａの場合、画像表示素子１６の表示領域１６ａに到達する光線のこのマイクロレンズアレイ１０への最大入射角度（入射面から入射して同一の単位レンズ１０ａの射出面に到達する光線の最大入射角度）は、短手方向（図２（ｃ））の方が長手方向（図２（ｂ））よりも小さくなる。このような表示領域１６ａに到達しない光線は、入射した隣の単位レンズ１０ａへ向かってしまうため、短手方向の光が長手方向の光より、より多く損失してしまう。これは、光源としてＬＥＤのような面光源、正方形又は矩形の発光部を持つ光源、又は体積を持つ光源を用いた場合に特に問題になる（ここで、「体積を持つ光源」とは、例えば、光源から出た光を蛍光体を通して所望の波長の光を放射させる構成の光源である）。具体的には、図３に示すように、画像表示素子１６の表示領域１６ａ（図面中の黒い矩形部分）の外側のうち、特に短手方向（表示領域１６ａの長辺の外側）に多くの光が到達してしまう（白い点の部分）。この光は、図２（ｃ）において、マイクロレンズアレイ１０を構成する単位レンズ１０ａの短手方向で損失した（隣の単位レンズに向かった）光線である。この光線は、例えば画像表示素子１６の表示領域１６ａの外側で反射して投影光学系３０の光路に入り込み、投影面に到達してゴーストの原因となる。特に投影面と共役な位置関係になってしまうため、くっきりとした形状で認識しやすいゴーストとなってしまう。このようなゴーストは、表示領域１６ａの周辺を黒塗りしたり、周辺部にマスクを設けたりしたとしても、完全に消すことは難しく、２重３重の対策を施す必要がある。なお、投射レンズ１７の周辺やＴＩＲプリズム１５の周辺にマスクを施した場合、その位置が画像表示素子１６の表示領域１６ａと共役ではないため、上記迷光によるゴーストを効果的には消せないどころか、無理に消そうとすると、明るさ・照度ムラなどの投影像の画質が悪化してしまう。

上述したように、このゴーストを形成する迷光は、光源装置２から放射されコレクタレンズ８で集光された光のうち、単位レンズ１０ａの入射面に対してこの単位レンズ１０ａの射出面に到達することのできない角度で入射する光により発生する。そこで、マイクロレンズアレイ１０に入射する光を、単位レンズ１０ａの（画像表示素子１６の表示領域１６ａの）長手方向の入射角度よりも短手方向の入射角度の方が小さくなるように、このマイクロレンズアレイ１０に入射する照明光の断面形状を短手方向の幅が長手方向の幅よりも長くなる形状とする。具体的には、集光光学系の少なくとも一部のレンズ（本実施形態ではコレクタレンズ８）にアナモフィック非球面を設け、図４に示すように、光源装置２からの照明光の断面形状Ｌを、単位レンズ１０ａの（画像表示素子１６の表示領域１６ａの）短手方向が長軸で、長手方向が短軸の楕円形状にする。このアナモフィック非球面は、単位レンズ１０ａの断面形状の短手方向よりも長手方向の方が屈折力が強い面である。このように構成することにより、コレクタレンズ８から射出してマイクロレンズアレイ１０の各々の単位レンズ１０ａに入射する光の入射角度は、この単位レンズ１０ａの断面形状の長手方向よりも短手方向が小さくなるため、図２（ｃ）に示す、隣の単位レンズ１０ａに向かう光が少なくなり、結果として、画像表示素子１６の表示領域１６ａの外に到達する光を少なくすることができる。

ところで、図４に示すようにマイクロレンズアレイ１０に照射される照明光の断面形状を楕円形状にすると、投影光学系３０の画像表示素子１６の表示領域１６ａの短手方向に対応するＦ値を小さくしなければならなくなるため、マイクロレンズアレイ１０の近傍に配置された円形の開口部１１ａを有する第１遮光部１１により、楕円の照明光束断面Ｌの長手方向（画像表示素子１６の表示領域１６ａの短手方向に対応）の光を、短手方向（画像表示素子１６の表示領域１６ａの長手方向に対応）よりも広く（多く）遮光するように構成されている。なお、コレクタレンズ８による光束断面形状は楕円形状に限らず矩形形状等でも良い。また、第１遮光部１１の開口部１１ａの形状は円形に限らない。また、図１に示す構成では、マイクロレンズアレイ１０の画像表示素子１６側に第１射光部１１を配置しているが、この第１射光部１１は、マイクロレンズアレイ１０の光源装置２側に配置しても良い。

本実施形態に係る照明光学系２０を以上のように構成することにより、図５に示すように、画像表示素子１６の表示領域１６ａの周りの照度が図３に比べ半減しており、ゴ−ストの低減に効果的であることが分かる。更に、このように構成しても、投影面の明るさは１％程度の低下であり殆ど気にならないレベルである。また、マイクロレンズアレイ１０の近傍に第１遮光部１１を配置してゴースト光をカットしているため、照度ムラは全く生じない。なお、このような構成とすることにより、迷光となる光（マイクロレンズアレイ１０を構成する単位レンズ１０ａの入射面から入射した光のうち、当該単位レンズ１０ａの射出面に到達しない光であって、画像表示素子１６の表示領域１６ａの外側に到達する光）がすでに半減しているため、画像表示素子１６の表示領域１６ａの周辺に、この周辺部に入射する光を除去するマスク（第２遮光部）を施せば、よりゴースト低減の効果が見込めることになる。

このような本実施形態に係る照明光学系２０において、照明装置２から放射される照明光の強度が非常に強い場合、第１遮光部１１で照明光を吸収させると、強い発熱を生じてしまい、その近傍に配置されているマイクロレンズアレイ１０の劣化に繋がってしまう。このため、第１遮光部１１は反射体であることが望ましい。照明装置２からの照明光を第１遮光部１１で反射させて、この反射した照明光が光源装置２に戻るように第１遮光部１１の向き・形状を決定すれば、光源装置２（光源３〜５や第１及び第２ダイクロイックミラー６，７）で反射し再びマイクロレンズアレイ１０へ戻ってくる。これが繰り返されれば、第１遮光部１１の開口部１１ａを通過する光が増え、投影像の明るさが向上する効果も期待できる。例えば、上述した図１においては、コレクタレンズ８で集光された照明光は略平行光束となってマイクロレンズアレイ１０に入射するため、第１遮光部１１を平面として、この略平行光束に略直交する向きに配置することにより、この第１遮光部１１で反射した照明光を光源装置２に戻すことができる。もちろん、マイクロレンズアレイ１０に照射される照明光が拡散光束や収斂光束である場合は、第１遮光部１１に曲率を持たせることが好ましい。

また、本実施形態に係る投影ユニット１において、マイクロレンズアレイ１０の射出面と投射レンズ１７の絞り１８が略共役な関係になる。このとき、投射レンズ１７の絞り１８上には、照明光束によって照射されたマイクロレンズアレイ１０の射出面の像ができる。ここで、もっとも"明るい光学系"にするためには、照明光束によって照射されたマイクロレンズアレイ１０の射出面の像が、投射レンズ１７の絞り１８の開口部１８ａと同じか、それより大きくなればよい。本実施形態において、画像表示素子１６の表示領域１６ａの短手方向を長くした断面形状の照明光束をマイクロレンズアレイ１０に照射したとき、第１遮光部１１でこの短手側の両端光を遮光しなくても、その光は投射レンズ１７の絞り１８で遮光され、かつ、画像表示素子１６の短手方向枠外のゴースト低減効果も維持される。しかしながら、画像表示素子１６に照射する照明光の強度が強い場合は、投射レンズ１７の絞り１８付近で発熱が生じてしまい、投射レンズ１７の結像性能に影響が出てしまう。具体的には、１００〜１５０ルーメン程度を超える強さの投影ユニット１になると、この絞り１８での発熱が無視できなくなってくる。特に投射レンズ１７にプラスチックを使用している場合に問題になる（例えば、投射レンズ１７を構成するレンズの少なくとも一つにプラスチックレンズを使用している場合）。

ここで、投射レンズ１７の絞り１８の開口部１８ａがマイクロレンズアレイ１０の像より大きければ発熱の問題は発生しないが、投射レンズ１７の絞り１８の開口部１８ａを大きくすることで、コントラストの低下が生じてしまい、投射画質の改善には繋がらない。よって、マイクロレンズアレイ１０の近傍に配置される第１遮光部１１の開口部１１ａの形状は、照明光束によって照射されたマイクロレンズアレイ１０の射出面の像が、投射レンズ１７の絞り１８の開口部１８ａとほぼ同じか、それより小さくなるような形状になることが望ましい。

なお、本実施形態に係るプロジェクタ装置１００は、図６に示すように、金属やプラスチックからなる筐体４０を備え、この筐体４０の前面には、筐体４０に内蔵された上述の投影ユニット１の投影窓４１が設けられている。また、プロジェクタ装置１００の上面には、電源スイッチ４２、各種機能の設定や投影画像のピント調整等を行うための操作部４３が設けられている。なお、筐体４０の背面には各種入力端子や冷却風の通気口等が設けられている。また、画像の投影を行なう場合には、装置本体（筐体４０）が載置面Ｇ上に載置されている状態において、載置面に平行な投射面Ｓに対し投射する。もちろん、垂直な面に投射するように構成しても良い。

２ 光源装置 ３ 第１光源 ４ 第２光源 ５ 第３光源
８ コレクタレンズ（集光光学系） １０ マイクロレンズアレイ（光分割素子）
１１ 第１遮光部 １１ａ 開口部
１２，１４ 第１及び第２コンデンサレンズ（重畳光学系）
１６ 画像表示素子 １６ａ 表示領域
１７ 投射レンズ １８ 絞り １８ａ 開口部
２０ 照明光学系 ３０ 投影光学系 １００ プロジェクタ装置

Claims (10)

1. 光源から出射された光の光束断面の径が、前記光束断面内の少なくとも２つの方向で異なるように集光する集光光学系と、
   前記集光光学系から出射した前記光の前記光束断面を、複数の領域を有し、各々の領域の径が少なくとも２つの方向で異なるとともに、前記光束断面の長手方向と前記領域の短手方向とが略一致するように配置された領域に分割する光分割素子と、
   前記光分割素子の近傍に配置され、前記光束断面の周辺部分のうち、短手方向より長手方向をより多く遮光する第１遮光部と、
   前記光分割素子により分割された前記領域の光の各々を重ね合わせて所定の照明領域に照射する重畳光学系と、を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記集光光学系は、前記領域の短手方向よりも長手方向の方が屈折力が強くなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光源は、面発光する光源、正方形又は矩形の発光部を持つ光源、又は、体積を持つ光源であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記照明領域の周辺部分に第２遮光部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明光学系。
5. 前記第１遮光部は、反射体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明光学系。
6. 前記第１遮光部は、前記第１遮光部で反射した前記光が前記光源に入射する向き及び形状を有していることを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 光源と、
   表示領域を有する画像表示素子と、
   前記光源からの光を前記表示領域に照射する請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明光学系と、
   前記画像表示素子の前記表示領域で反射した光を投影面に投影する投影光学系と、を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
8. 前記投影光学系は、前記光分割素子の射出面と略共役な位置に配置された絞りを有し、
   前記光源からの光により、前記絞り上に形成される前記光分割素子の前記射出面の像の形状は、前記第１遮光部の開口部の形状により、前記絞りの開口部の形状と略同一あるいはそれより小さくなるように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のプロジェクタ装置。
9. 前記光分割素子は、２次元的に配置された複数の単位レンズから構成されるマイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項７又は８に記載のプロジェクタ装置。
10. 前記画像表示素子の前記表示領域は略矩形形状を有し、前記マイクロレンズアレイの前記単位レンズの断面形状は、前記表示領域と略相似形状であることを特徴とする請求項９に記載のプロジェクタ装置。