JP2021036262A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で明るい照明光学系を提供すること。【解決手段】 色分解系における色分解が１つのクロスダイクロイックミラーと１枚のダイクロイックミラーのみによって行われ、入射から第１から第３の画像表示素子までの３つの光路の光路長が略一致し、光軸と前記２つの色合成面の法線を含む面を第一の断面とし、光軸を含み第一の断面と垂直な面を第二の断面としたとき、第一の断面における合成プリズムへの有効光線の最大入射角度が第二の断面における前記合成プリズムへの有効光線の最大入射角度よりも大きいことを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、反射型の画像表示素子を用いた画像投射装置に用いられる光学系に関し、さらに詳しくは色分解合成光学系に関する。

近年、画像投射装置の高輝度化が進み、画像表示素子の冷却用部材が大型化してきている。画像表示素子と照明系の干渉を避けつつ小型化が実現できる光学系として、特許文献１や特許文献２に示される色分解合成光学系が知られている。前記色分解合成光学系は画像表示素子の法線と投射レンズの光軸が直交し、且つ合成プリズムそれぞれの入射面法線と直行するように画像表示素子を配置することにより小型化を実現している。

特許第４１５４７１８号公報 特許第４８０６９１２号公報

上記の特許文献１に記載の従来技術では、色分離光学系において１色をリレーする構成となり、小型化の点で不利となるという課題があった。上記の特許文献２に記載の従来技術では、小型な構成となるが、照明光学系のレンズ間距離が長くなることによりＦナンバーを大きくする必要があり、明るさの点で不利となるという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明に係る照明光学系は、
第１色光を変調して反射する第１の画像表示素子と、
第２色光を変調して反射する第２の画像表示素子と、
第３色光を変調して反射する第３の画像表示素子と、
前記第１の画像表示素子で変調された光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の画像表示素子で変調された光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第３の画像表示素子で変調された光を検光する第３の偏光ビームスプリッタと、
白色光を前記第１色光、前記第２色光および前記第３色光に分解する色分解系と、
前記第１色光を前記第１の偏光ビームスプリッタへ導く第１の跳ね上げミラーと、
前記第２色光を前記第２の偏光ビームスプリッタへ導く第２の跳ね上げミラーと、
前記第３色光を前記第３の偏光ビームスプリッタへ導く第３の跳ね上げミラーと、
前記第１色光および前記第２色光を反射する第１の折り返しミラーと、
前記第３色光を反射する第２の折り返しミラーと、
前記偏光ビームスプリッタで検光されたそれぞれの光を合成して投射レンズに入射させる、交わる２つの色合成面を持つ合成プリズムからなり、
前記第１から第３のミラーで反射した前記第１から第３色光の主光線が略平行であり、
前記第１から第３の画像表示素子は変調面の法線が投射レンズの光軸と略直交または略平行であり、
かつ前記合成プリズムのそれぞれの入射面の法線と略直交または略平行となるように配置される色分解合成光学系であって、
前記色分解系における色分解が１つのクロスダイクロイックミラーと１枚のダイクロイックミラーのみによって行われ、
入射から前記第１から第３の画像表示素子までの３つの光路の光路長が略一致し、
光軸と前記２つの色合成面の法線を含む面を第一の断面とし、光軸を含み第一の断面と垂直な面を第二の断面としたとき、第一の断面における前記合成プリズムへの有効光線の最大入射角度が第二の断面における前記合成プリズムへの有効光線の最大入射角度よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、小型でかつ明るい照明光学系を構築することができる。

本発明の実施例１の光源部の構成を説明する図 本発明の実施例１の色分解合成系の構成を説明する図 本発明の実施例１の入射光束の２次元強度分布を示した図 本発明の実施例１の各断面における光束の広がりを説明する図 本発明の実施例１の色分解合成系の構成を簡略化した図 本発明の実施例１の色分解合成系下部の構成を説明する図 本発明の実施例１の色分解合成系の構成を説明する図

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態における波長変換装置の構成例について図を用いて説明するが、本発明は以下に説明する実施形態の構成等によって何ら限定されるものではない。

図１、２に、本実施例における光学構成図を示す。

光源１０１からの光はリフレクタ１０２で略平行光とされる。光源１０１として本実施例では超高圧水銀ランプを用いるが、固体レーザー光源と蛍光体を用いてもよいし、キセノンランプやＬＥＤを用いてもよい。

フライアイレンズ１０３およびフライアイレンズ１０４はパネル面上での照度分布をフラットにするための光インテグレータである。偏光変換素子１０５は光束の偏光を揃える素子である。コンデンサレンズ１０６および１０７Ｒ，１０７Ｇ，１０７Ｂは光束をパネル面上に均一に照明する照明系である。

クロスダイクロイックミラー１０８およびダイクロイックミラー１０９は、光束をＲＧＢの３色に分割するための光学素子である。本実施例ではクロスダイクロイックミラー１０８により白色の光束を赤色の光束とシアン色の光束に分割し、さらにダイクロイックミラー１０９によりシアン色の光束を緑色の光束と青色の光束に分割する。ただし、本発明はこの色分割の順番に限定されず、その要旨の範囲内で異なる色分割を行ってもよい。

折り返しミラー１１０、１１１および跳ね上げミラー１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂは、光束をパネルに導くためのミラーである。本実施例では銀ミラーを用いるが、他の金属ミラーでもよいし、誘電体多層膜ミラー等を用いてもよい。これらのミラーによる反射の結果、ＲＧＢ３色の光束は略同一の向きへ導かれる。

偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３ＢはＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光素子である。本実施例では、偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂとしてワイヤグリッド偏光子を用いるが、これに限定されず、特定の偏光を透過し他の偏光を反射する特性を持つ素子であればよい。偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂを透過した光束は位相補償板１１４Ｒ，１１４Ｇ，１１４Ｂを透過し、反射型画像表示素子１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂを反射し、再度位相補償板１１４Ｒ，１１４Ｇ，１１４Ｂを透過して偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂに導かれる。この時、偏光が変化した成分のみ偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂを反射し、クロスダイクロイックプリズム１１６により合成されて投射レンズ１１７でスクリーン上に投射される。

本実施例における照明系の明るさを決める１つの主要因は照明系のＦナンバーである。本特許において照明系のＦナンバーは、コンデンサレンズ系の合成焦点距離ｆと、入射光束径Ｄに対し、
Ｆナンバー＝ｆ／Ｄ （式１）
によって決まる値とする。

特許文献２の構成においては、光学素子の干渉を避けるため、Ｄを一定以上大きくすることができない。特許文献２の構成における１つの光路に関して、その光学素子を順番に並べた概略図を図３に示した。この構成において、コンデンサレンズ１０６と１０７の間には、４５度で光束を反射する素子が４枚存在する。そのため、対称なダイクロイックミラーを用いて図３に基づいて構成すると、コンデンサレンズ１０６と１０７の間の距離Ｌについて、
Ｌ＝４Ｄ＋α （式２）
という関係式が成り立つ。αはメカ的な制約により確保すべき余裕量であり、０．４Ｄ〜０．８Ｄ程度の値となる。

さて、反射型画像表示素子を用いる投射式画像表示装置においては、画質やコントラストの観点からコンデンサレンズ系をテレセントリックとすることが理想的である。パネル上でテレセントリックとなるコンデンサレンズ系となるとき、コンデンサレンズ系の前側焦点位置は偏光変換素子１０５付近に、後側焦点位置は画像表示素子１１５上に来る。そのため、合成焦点距離ｆはコンデンサレンズ間距離Ｌ以上になることが必要である。つまり、
ｆ≧Ｌ＝４Ｄ＋α＞４．４Ｄ （式３）
となる。その結果、Ｆナンバーは
Ｆナンバー＝ｆ／Ｄ＞４．４ （式４）
となる。Ｆナンバーが４．４より大きいというこの条件は、プロジェクタの明るさ向上のためには重大な制約となる。

ここで、光学特性の入射角度依存性が大きいクロスダイクロイックプリズム１１６の色合成面を基準にして２つの方向を定める。すなわち、各光束に対し、クロスダイクロイックプリズム１１６の入射面の法線と２つの色合成面の法線を含む断面を、各光束に対する第一の断面とする。同様に、入射面法線を含み第一の断面と垂直な断面を第二の断面とする。なお、第一の断面はクロスダイクロイックミラー１０８における２つのダイクロイックミラーの交線に平行な方向に対応し、第二の断面はそれに垂直な方向に対応する。

各方向でのコンデンサレンズ１０６入射面における入射光束径が大きいほど画像表示素子１１５やクロスダイクロイックプリズム１１６への有効光線の最大入射角度が大きくなり、各断面でのＦナンバーは小さくなる。式２〜４に基づくＦナンバーの制約条件が加わるのは第一の断面方向のみである。本発明においては第二の断面方向についてよりＦナンバーを小さくすることにより、高輝度化を実現している。第一の断面および第二の断面における、反射型画像表示素子１１５、偏光素子１１３、クロスダイクロイックプリズム１１６での光束の広がり方の概略を図４に示す。

図５（ａ）は、本実施例におけるコンデンサレンズ１０６入射面での入射光束の２次元強度分布である。図５（ｂ）は射影された第一の断面方向の強度分布、図５（ｃ）は射影された第二の断面方向の強度分布である。

本発明においては、各方向の強度分布に対し、レンズの中心軸を中心として全有効光量の９９．５％の光量が入る必要十分な幅を入射光束径Ｄと定義する。本実施系においては第一の断面方向についてＤ＝４８ｍｍである。また、コンデンサレンズ系の合成焦点距離ｆ＝１４５ｍｍであるため、第一の断面方向のＦナンバーは３程度となり、１０％程度の明るさの向上につながる。２方向で入射径が異なる光束形状は、フライアイレンズ１０６と１０７の各セルの偏心などによって実現可能である。

さらに、本実施例においては、図６に示すようにクロスダイクロイックミラー１０８の形状を非対称としている。コンデンサレンズ１０６により、光束はクロスダイクロイックミラー１０８へ収束しながら入射するため、このような形状にしても有効光束を蹴ることがない。また、図５に示すように、この非対称なクロスダイクロイックミラー１０８の形状により、折り返しミラー１１０とダイクロイックミラー１０９の間の距離Ｌ１を、跳ね上げミラー１１１とダイクロイックミラー１０９の間の距離Ｌ２に比べて短くすることができる。その結果、レンズ間距離Ｌが式２で表される値よりも小さくなる。Ｌ１＜０．９Ｌ２となることが望ましいが、さらにＬ１＜０．８Ｌ２であると効果が大きい。

本実施例ではさらに、パネル面への主光線の入射角度を０．８度まで許容することにより、ｆ＝１４５ｍｍをＬ＝１４８ｍｍで実現し式３の条件を緩和している。横方向における入射光束径Ｄ＝３６ｍｍであるから、本実施例における第二の断面方向におけるＦナンバーは４程度となり、式４の制約を超える照明光学系を実現できる。その結果、明るさはさらに５％程度向上する。

図７に、本実施例の構成を示す。

本実施例では、偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂの代わりに偏光プリズム２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂを用いる。また、位相補償板１１４Ｒ，１１４Ｇ，１１４Ｂ、および反射型画像表示素子１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂが、実施例１と異なる向きについている。その結果、偏光プリズム２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂの反射光が位相補償板１１４Ｒ，１１４Ｇ，１１４Ｂ、および反射型画像表示素子１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂに導かれ変調される。

本実施例では、偏光素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂの代わりに偏光プリズム２０１Ｒ，２０１Ｇ，２０１Ｂを用いることによって、反射型画像表示素子１１５Ｒ，１１５Ｇ，１１５Ｂから投射レンズ１１７までの空気換算長が短縮される、有利になる。また、偏光プリズムの偏光分離面の特性において、Ｓ偏光の透過率はＰ偏光の反射率に比べて低く抑えることが可能なため、Ｐ偏光を透過させて投射する本実施例の構成の方がコントラストの点で有利となる。

１０１ 光源、１０２ リフレクタ、１０３ フライアイレンズ１、
１０４ フライアイレンズ２、１０５ 偏光変換素子、
１０６ コンデンサレンズ１、１０７ コンデンサレンズ２、
１０８ クロスダイクロイックミラー、
１０９ ダイクロイックミラー、１１０ 折り返しミラー１、
１１１ 折り返しミラー２、１１２ 跳ね上げミラー、
１１３ 偏光素子、１１４ 位相補償板、１１５ 反射型画像表示素子、
１１６ クロスダイクロイックプリズム、１１７ 投射レンズ、
２０１ 偏光プリズム

Claims (8)

1. 第１色光を変調して反射する第１の画像表示素子と、
   第２色光を変調して反射する第２の画像表示素子と、
   第３色光を変調して反射する第３の画像表示素子と、
   前記第１の画像表示素子で変調された光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記第２の画像表示素子で変調された光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記第３の画像表示素子で変調された光を検光する第３の偏光ビームスプリッタと、
   白色光を前記第１色光、前記第２色光および前記第３色光に分解する色分解系と、
   前記第１色光を前記第１の偏光ビームスプリッタへ導く第１の跳ね上げミラーと、
   前記第２色光を前記第２の偏光ビームスプリッタへ導く第２の跳ね上げミラーと、
   前記第３色光を前記第３の偏光ビームスプリッタへ導く第３の跳ね上げミラーと、
   前記第１色光および前記第２色光を反射する第１の折り返しミラーと、
   前記第３色光を反射する第２の折り返しミラーと、
   前記偏光ビームスプリッタで検光されたそれぞれの光を合成して投射レンズに入射させる、交わる２つの色合成面を持つ合成プリズムからなり、
   前記第１から第３のミラーで反射した前記第１から第３色光の主光線が略平行であり、
   前記第１から第３の画像表示素子は変調面の法線が投射レンズの光軸と略直交または略平行であり、
   かつ前記合成プリズムのそれぞれの入射面の法線と略直交または略平行となるように配置される色分解合成光学系であって、
   前記色分解系における色分解が１つのクロスダイクロイックミラーと１枚のダイクロイックミラーのみによって行われ、
   入射から前記第１から第３の画像表示素子までの３つの光路の光路長が略一致し、
   光軸と前記２つの色合成面の法線を含む面を第一の断面とし、光軸を含み第一の断面と垂直な面を第二の断面としたとき、第一の断面における前記合成プリズムへの有効光線の最大入射角度が第二の断面における前記合成プリズムへの有効光線の最大入射角度よりも大きいことを特徴とする照明光学系。
2. 色分解合成光学系は、
   色分解前の白色光が透過する第１のコンデンサレンズと、
   色分解後の各色光が透過する第２のコンデンサレンズ３枚の計４枚のみレンズを含み、
   跳ね上げミラーと偏光ビームスプリッタの間に第２のコンデンサレンズが置かれることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系
3. 色分解合成光学系は、
   前記第１の断面における第１のコンデンサレンズへの入射光束径が、
   第１のコンデンサレンズおよび第２のコンデンサレンズの合成焦点距離の１／４．２より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明光学系。
4. 色分解合成光学系は、
   前記クロスダイクロイックミラーから前記折り返しミラーまでの光路長よりも前記折り返しミラーから前記ダイクロイックミラーまでの光路長が短いことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の照明光学系。
5. 色分解合成光学系は、
   前記第１のコンデンサレンズと前記第２のコンデンサレンズの合成焦点距離が、
   前記第１のコンデンサレンズと前記第２のコンデンサレンズの間の主光線の光路長より短い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照明光学系。
6. 色分解合成光学系は、
   前記クロスダイクロイックミラーの接合部から前記投射レンズ側端までの距離が、
   前記クロスダイクロイックミラーの接合部から第１のコンデンサレンズ側端までの距離よりも短いことを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
7. 色分解合成光学系は、
   前記第１の偏光ビームスプリッタの偏光作用を有する面が
   前記第１の画像表示素子の短辺と４５度の角度で配置される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照明光学系。
8. 色分解合成光学系は、
   前記第１〜第３の偏光ビームスプリッタがワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の照明光学系。