JP5167873B2

JP5167873B2 - プロジェクタ装置

Info

Publication number: JP5167873B2
Application number: JP2008061696A
Authority: JP
Inventors: 孝夫後藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009217060A

Description

本発明は、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は、消費電力や発熱を抑えるために、光源から出射された照明光を効率良く表示素子に照射することが要求されている。そのため、光源から出射した光をリフレクタで反射させ、このリフレクタにより照明光束の輪郭形状を表示素子と同じ略矩形としてこの表示素子に照射する投射型プロジェクタ装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−８４３６３号公報

しかしながら、光源からの照明光束の輪郭形状をリフレクタで略矩形に変換すると、輪郭形状の変換、集光、及び、照度の均一化を全てこのリフレクタの反射面で行わなければならず、複雑な設計が必要になる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、光源からの光の集光効率をアップさせた集光レンズ群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、本発明に係るプロジェクタ装置は、光源と、表示素子と、光軸周りの少なくとも一部の回転角での屈折力が他の回転角での屈折力と異なり、光源からの光を集光して表示素子に照射する集光レンズ群と、表示素子に形成される像を投影する投影レンズ群と、を有して構成される。

また、このようなプロジェクタ装置において、集光レンズ群の少なくとも一面は、光軸を通り表示素子の表示面に垂直な面内で、光軸周りの回転角により決定される表示素子の表示範囲とほぼ一致する集光範囲となるように定義した曲線を、垂直な面を光軸周りに回転させることにより連続的に変化させてできる自由曲面で構成される。

このとき、集光レンズ群に設けられた自由曲面は、光軸回りの回転角で定義された非球面曲線の連続面で構成されることが好ましい。

また、この自由曲面は、集光レンズ群を構成するレンズ面のうち、光源に近いレンズ面に形成されることが好ましい。

また、この自由曲面は、集光レンズ群を構成するレンズ面のうち、曲率の緩いレンズ面に形成されることが好ましい。

また、このようなプロジェクタ装置において、表示素子の表示面の形状は、矩形であることが好ましい。

さらに、このようなプロジェクタ装置において、表示素子は、反射型液晶素子であることが好ましい。あるいは、表示素子は、透過型液晶素子であることが好ましい。

本発明に係るプロジェクタ装置を以上のように構成すると、このプロジェクタ装置を構成する照明光学系の集光効率がアップし、光源での電力消費を減少させ、また、この照明光学系における発熱を抑えることができるので、このプロジェクタ装置を小型化することができる。

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を用いて本実施の形態に係るプロジェクタ装置の構成について説明する。このプロジェクタ装置１０は、高輝度ＬＥＤ等で構成され、照明光を放射する光源１を有し、この光源１から出射した照明光を反射型の表示素子（例えば、ＬＣＯＳ（シリコン基板の上に液晶を形成した反射型の液晶表示パネル））６に照射する照明光学系１１と、この表示素子６で反射した光線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１２とから構成される。照明光学系１１は、光源１と表示素子６との間に設けられ、光源１側から順に、第１集光レンズ２及び第２集光レンズ３（これらをまとめて「集光レンズ群」と呼ぶ）と、第１偏光板４と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５とが、光軸上にこの順で並んで配置されている。また、投影光学系１２は、照明光学系１１と偏光ビームスプリッタ５を共用し、この偏光ビームスプリッタ５と、第２偏光板７と、第１投影レンズ８と、第２投影レンズ９とがこの順で光軸上に並んで配置されている。なお、光源１は、照明光を放射する発光部（例えば、ＬＥＤチップ）１ａと、透明な部材で構成されてこの発光部１ａを覆って保護するカバー１ｂとから構成される。

このような構成のプロジェクタ装置１０において、光源１の発光部１ａから放射された照明光は、第１及び第２集光レンズ２，３で集光された後、第１の偏光板４を透過して偏光され、さらに、偏光ビームスプリッタ５の透過・反射面５ａを透過して表示素子６の表示面６ａに照射される。そして、この表示素子６の表示面６ａで反射した光線は、偏光ビームスプリッタ５に入射して透過・反射面５ａで反射され、第２の偏光板７で偏光された後、第１及び第２投影レンズ８，９により表示面６ａの実像が投影面に拡大投影される。

ここで、表示素子６の表示面６ａは図３に示すように矩形形状をしている。そのため、光源１から放射された照明光を、効率よくこの表示素子６の表示面６ａに照射するためには、第１及び第２集光レンズ２，３において、光源１から円錐状に放射された照明光の輪郭形状を、表示素子６（表示面６ａ）と同一の輪郭形状で且つほぼ同じ大きさに変換する必要がある。そのため、このプロジェクタ装置１０においては、第１及び第２集光レンズ２，３のうち、最も光源１側の面、すなわち、第１集光レンズ２の光源１側の面２ａを、光軸に周りの回転角により異なる屈折力（パワー）を有する自由曲面として形成している。この自由曲面２ａにより、光源１から放射された照明光を、照度が均一になるようにするとともに、輪郭形状を表示素子６の表示面６ａの輪郭形状と相似となる矩形形状に変換し、集光レンズ群２，３の他のレンズ面でさらに集光させて、表示面６ａと略同一形状・略同一大きさとして照射するように構成されている。

具体的には、光軸を切るとともに、発光部１ａ、自由曲面２ａ及び表示面６ａと交差する仮想平面を考え、発光部１ａのうち、この仮想平面と交差する領域から放射された照明光を、自由曲面２ａのうち、仮想平面と交差する領域で集光し、表示面６ａのうち、仮想平面と交差する領域に照明するように他のレンズ面のパワーを考慮して自由曲面２ａを決定する。そして、この仮想平面を光軸に対して所定の角度ずつ回転させ、各回転角毎に自由曲面２ａを決定する。この光軸周りの回転角θは、表示素子６の表示面６ａの長辺方向をｘ軸とし、短辺方向をｙ軸とし、光軸方向をｚ軸とすると、この表示面６ａの長辺方向（ｘ軸方向）はθ＝０°となり、短辺方向（ｙ軸方向）はθ＝９０°となる。そして、例えば、長辺と短辺の比が４：３の表示面６ａを有する表示素子６の場合、この表示面６ａの対角方向はθ＝３６．８７°となる。

このような座標系により、第１集光レンズ２の自由曲面２ａを定義すると、次の非球面式（１）により決定される。なお、この式（１）において、ｕは光軸に垂直な方向の高さを示し、ｚは高さｕにおける各非球面（自由曲面）の頂点の接平面から各非球面（自由曲面）までの光軸に沿った距離（サグ量）を示し、Ｒ、ｋ、Ｃn（ｎ＝４，６，８，１０）は非球面係数を示している。

ｚ＝（ｕ²／Ｒ）／（１＋（１−（１＋ｋ）・ｕ²／Ｒ²）^1/2）
＋Ｃ₄・ｕ⁴＋Ｃ₆・ｕ⁶＋Ｃ₈・ｕ⁸＋Ｃ₁₀・ｕ¹⁰ （１）
但し、ｕ＝（ｘ²＋ｙ²)^1/2

なお、非球面係数Ｒ，ｋ，Ｃnは、光軸周りの回転角θの関数として定義され、具体的には次式（２）のように定義される。なお、この式（２）において、Ａ₀〜Ａ₁₀、Ｂ₀〜Ｂ₁₀、Ｄ₀〜Ｄ₁₀、Ｅ₀〜Ｅ₁₀、Ｆ₀〜Ｆ₁₀、及び、Ｇ₀〜Ｇ₁₀はいずれも定数である。

Ｒ＝Ａ₀＋Ａ₁・ｔ＋Ａ₂・ｔ²＋・・・＋Ａ₁₀・ｔ¹⁰
ｋ＝Ｂ₀＋Ｂ₁・ｔ＋Ｂ₂・ｔ²＋・・・＋Ｂ₁₀・ｔ¹⁰
Ｃ₄＝Ｄ₀＋Ｄ₁・ｔ＋Ｄ₂・ｔ²＋・・・＋Ｄ₁₀・ｔ¹⁰
Ｃ₆＝Ｅ₀＋Ｅ₁・ｔ＋Ｅ₂・ｔ²＋・・・＋Ｅ₁₀・ｔ¹⁰ （２）
Ｃ₈＝Ｆ₀＋Ｆ₁・ｔ＋Ｆ₂・ｔ²＋・・・＋Ｆ₁₀・ｔ¹⁰
Ｃ₁₀＝Ｇ₀＋Ｇ₁・ｔ＋Ｇ₂・ｔ²＋・・・＋Ｇ₁₀・ｔ¹⁰
但し、ｔ＝ｃｏｓ²θ

以上より、各回転角θにおいて、光軸を通り表示素子６の表示面６ａに垂直な面内で、光源１からの照明光を表示面６ａ内に無駄なく集光できるように、上述の非球面係数Ｒ，ｋ，Ｃnが定義される。これにより、第１集光レンズ２のパワーは、θ＝０°で最大となり、θ＝３６．８７°で最小となる。

このように、集光レンズ群（第１集光レンズ２及び第２集光レンズ３）の少なくとも何れかの面を自由曲面とし、光源１から円錐状に放射される照明光の輪郭形状を表示素子６と同じ矩形形状に変換するとともに、照度が均一化するように構成することにより、光源１から放射された光の損失を少なくして照明光として利用することができるため、輝度の小さい光源１を用いることができ、この光源１で消費される電力を少なくすることができる。さらに、光源１から放射される光の損失を少なくすることにより、このプロジェクタ装置１０の発熱を抑えることができる。そのため、このプロジェクタ装置１０を小型化することが可能となる。なお、この自由曲面２ａを集光レンズ群２，３に設けることにより、集光レンズ群２，３の機能うち、自由曲面２ａには照明光の輪郭形状の変形機能と照度の均一化機能を分担させ、集光機能は集光レンズ群２，３の他の面に分担させることができるので、自由曲面２ａの設計の自由度を向上させることができるとともに、その設計も容易に行うことができる。

なお、この自由曲面は、第１及び第２集光レンズ２，３からなる集光レンズ群のうち、光源に近いレンズ面に形成されることが好ましい。また、この自由曲面はこれらの集光レンズ群のうち、曲率の緩い面に形成されることが好ましい。集光レンズ群２，３のうち、このような条件の面にこの自由曲面を形成すると、製造が容易となるからである。なお、集光レンズ群は２枚の集光レンズで構成しているが、１枚のレンズで集光レンズ群を構成してもよい。

また、以上の説明においては、表示素子６として、反射型の液晶素子であるＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）を例に説明したが、本発明がこの表示素子に限定されることはなく、反射型の表示素子としてはＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）を用いることもできるし、透過型の液晶素子であるＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）に適用することも可能である。

それでは、このようなプロジェクタ装置１０の実施例について図４〜図６を用いて説明する。なお、この実施例においては、プロジェクタ装置１０のうち、照明光学系１１の部分だけを説明する。また、図４は、回転角θ＝０°のときを示し、図５は回転角θ＝３６．８７°のときを示し、図６は回転角θ＝９０°のときを示しており、何れの図面においても第１偏光板４は図示していない。

次の表１に、回転角θ＝０°、３６．８７°、９０°のときの非球面係数を示す。この表１において、「Ｅ−００」は、「×１０^-00」を示している。また、図４はθ＝０°に加えてθ＝１８０°の自由曲面も表示し、図５はθ＝３６．８７°に加えてθ＝２１６．８７°の自由曲面も表示し、図６はθ＝９０°に加えてθ＝２７０の自由曲面も表示しているが、その非球面係数は、それぞれ、θ＝０°、３６．８７°、９０°の値と同じである。

（表１）
θ＝０°（画面長辺方向）
Ｒ＝＋16.000、ｋ＝-36.500
Ｃ₄＝-4.122E-04、Ｃ₆＝+1.578E-05、Ｃ₈＝-3.091E-08、Ｃ₁₀＝-5.946E-09

θ＝３６．８７°（画面対角方向）
Ｒ＝＋48.439、ｋ＝-68.624
Ｃ₄＝-2.788E-04、Ｃ₆＝+2.441E-05、Ｃ₈＝-6.913E-07、Ｃ₁₀＝+6.327E-09

θ＝９０°（画面短辺方向）
Ｒ＝＋8.050、ｋ＝-20.600
Ｃ₄＝-4.389E-04、Ｃ₆＝+3.743E-06、Ｃ₈＝+1.580E-07、Ｃ₁₀＝-2.462E-08

図４〜図６に示されるように、いずれの回転角θにおいても、光源１から出射した照明光は、表示素子６の表示面６ａと略同一大きさでこの表示面６ａに照射されていることが分かる。また、光源１から放射される照明光は、中心（光軸）付近の照度が大きく、外周部に行くほど照度が小さくなるが、この図４〜図６に示されるように、表示面６ａに照射される照明光はほぼ均一な照度になっていることが分かる。

本発明に係るプロジェクタ装置の構成を示す説明図である。第１集光レンズの構成を示す斜視図である。表示素子と座標及び回転角の関係を説明するための説明図である。上記プロジェクタ装置を構成する照明光学系であって、回転角θ＝０°のときの断面図である。上記プロジェクタ装置を構成する照明光学系であって、回転角θ＝３６．８７°のときの断面図である。上記プロジェクタ装置を構成する照明光学系であって、回転角θ＝９０°のときの断面図である。

符号の説明

１光源２第１集光レンズ２ａ自由曲面３第２集光レンズ
６表示素子６ａ表示面８第１投影レンズ９第２投影レンズ
１０プロジェクタ装置

Claims

光源と、
表示素子と、
光軸周りの少なくとも一部の回転角での屈折力が他の回転角での屈折力と異なり、前記光源からの光を集光して前記表示素子に照射する集光レンズ群と、
前記表示素子に形成される像を投影する投影レンズ群と、を有し、
前記集光レンズ群の少なくとも一面は、
光軸を通り前記表示素子の表示面に垂直な面内で、光軸周りの回転角により決定される前記表示素子の表示範囲とほぼ一致する集光範囲となるように定義した曲線を、前記垂直な面を前記光軸周りに回転させることにより連続的に変化させてできる自由曲面で構成されるプロジェクタ装置。
前記集光レンズ群に設けられた前記自由曲面は、光軸回りの回転角で定義された非球面曲線の連続面で構成される請求項１に記載のプロジェクタ装置。
前記自由曲面は、前記集光レンズ群を構成するレンズ面のうち、前記光源に近いレンズ面に形成される請求項１または２に記載のプロジェクタ装置。
前記自由曲面は、前記集光レンズ群を構成するレンズ面のうち、曲率の緩いレンズ面に形成される請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置。
前記表示素子の前記表示面の形状は、矩形である請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置。
前記表示素子は、反射型液晶素子である請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置。
前記表示素子は、透過型液晶素子である請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置。