JP5213761B2 - 照明光学系及びそれを有する画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は照明光学系及びそれを有する画像投射装置に関し、例えば液晶パネル（画像表示素子）に基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影する液晶プロジェクターに好適なものである。

従来より、液晶表示素子（液晶パネル）などの画像表示素子に基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした画像投射装置（液晶プロジェクター）が種々と提案されている。画像投射装置に用いられる照明光学系として、光路中に複数の微小レンズを２次元的に配列したレンズアレイを配置して画像表示素子を均一に照明するように構成した照明光学系が知られている（特許文献１、２）。

図９は従来の画像投射装置の要部概略図である。図９では、ランプなどの光源１０１から出射した光をリフレクター１０２で所定の方向へ放射させている。その後、レンズアレイ１０３、１０８で複数の光束に分離し、その複数の光束を偏光分離素子１０７を介して集光レンズ１０４で集光し、画像表示素子１０５上を複数の光束で重畳して照明している。そして画像表示素子１０５で変調された画像光を投射光学系１０６によりスクリーンＳ上に投射し、拡大画像を生成している。

特開平０６−０７５２００号公報 特開平０７−１８１３９２号公報 特開平０８−３０４７３９号公報

一般の画像投射装置において、投射光学系における射出瞳ＥＰ上の光強度分布は、レンズアレイ１０３、１０８で生成される光源像の共役像に依存している。図９に示す画像投射装置では、レンズアレイ１０３、１０８による光源像は偏光変換素子１０７の近傍に形成され、その共役像は投射レンズ１０６の射出瞳面ＥＰ上に形成される。図１３は偏光変換素子１０７の近傍に形成される複数の光源像１０１ａの模式図である。

画像投射装置において、スクリーンＳ上に投射される画像が、画像表示素子の像として完全に結像している（ピントが合っている）ときには、投射光学系の瞳の強度分布の影響は全く問題にはならない。しかしながら、結像位置がスクリーン面からずれたときには、投射像の品位が低下してくる。このときシャープなエッジ部を有する画像、例えばグリッドなどの線像では、結像位置がずれると、結像は結像のエッジ部のシャープネスが損なわれるようにボケるのではなく、複数の線状に分離するようにボケてくる。

以下、この理由を説明する。画像の結像関係は、点と点の共役関係である。このため、例えば、図１０に示すように物平面ＯＢの一点Ｏが光学系Ｌで像平面Ｓａに結像しているときには光束Φは一点ｉに集光する。これが図１１に示すように一点Ｏの結像位置（ピント）が像平面Ｓａからずれると像平面Ｓａにおいては光束Φは一点で集光せずボケた状態となり、光束の光強度分布が像平面Ｓａ上にできる。この光強度分布は投射光学系の瞳の分布と相似の分布となる。ここで図１２に示すように画像表示素子（物平面）に線像ＬＮを表示したときの像平面Ｓａ上での光強度分布を考える。

ここで線像ＬＮはある狭い幅を有し、所定の方向に前記幅よりもはるかに長い矩形と考えることができるので、ボケたときは狭い幅の方向ＬＮＡの光強度分布が問題となる。線の幅方向の光強度分布は、瞳の２次元的な共役光源像を線の長い辺の方向に積分した分布になる。線像の幅方向ＬＮＡの断面の瞳面上の光強度分布の例を図１４に示す。表示される線像は点の集合と考えることができる。図１２の線Ａの像平面Ｓａ上での線像の分布は、図１５のようになる。像平面Ｓａ上ではＡ上の一点からの光束Ｐによるボケた強度分布Ｑを線像の共役像の範囲（点線）で連続的に重ね合わせた分布になる。

図１６は、この分布による線像のボケ像の断面図である。図１６において点線がピントが合った状態の投射像であるのに対して、実線がピントがあっていないときの投射像である。実線の投射像のボケ幅Ｄに相当する画像のエッジの部分Ｄに点Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として示すように不均一な光強度の変化が生じる。このとき、観察者の視覚は輝度の明暗に敏感に反応するため急激に強度が変化する部分Ｄ１、Ｄ３と強度の変化が緩くなるＤ２の部分を区別して認識し、部分Ｄ１と部分Ｄ３の間に暗部があるように観察してしまう。よって図１６のエッジ部分Ｄは複数の細い線のバラけるように観察され、観察像の品位が低下し、又、ボケの品位を著しく低下させてしまう。又、このような暗部が形成されると、観察像の品位は低下し、又、像平面Ｓａにおけるピント調整を精度良く行うのが困難になってくる。

本発明は、投射光学系による投射像がスクリーン面からずれて投射した場合であっても、投射像のボケが滑らかにボケてスクリーン面上での投射像のピント調整を容易に行うことができる照明光学系及びそれを有する画像投射装置の提供を目的とする。

本発明の照明光学系は、画像表示素子を照明する照明光学系であって、光源からの光を複数の光束に分離し、複数の光源像を形成する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイよりも前記画像表示素子側に配置された第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイから出射した光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、前記複数の光束を被照射面に重畳する集光手段と、前記画像表示素子により変調された光を所定面上に投射する投射光学系の瞳に形成される複数の光源像の位置を移動させる光源像移動手段を有し、前記光源像移動手段は、前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイと前記偏光変換素子とを保持し、光軸に垂直な方向に移動可能な光学素子保持部と、前記光学素子保持部を前記光軸に垂直な方向に移動させる駆動手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、投射光学系による投射像がスクリーン面からずれて投射した場合であっても、投射像のボケが滑らかにボケてスクリーン面上での投射像の品位が良く、又ピント調整を容易に行うことができる照明光学系及びそれを有する画像投射装置が得られる。

本発明の実施例１の要部断面図 参考例１の要部断面図 参考例２の要部断面図 参考例３の要部断面図 本発明に係る第１レンズアレイの要部正面図 本発明に係る第１レンズアレイの要部正面図 参考例４の要部断面図 参考例５の要部断面図 従来の画像投射装置の要部断面図 物体面と投射面との共役関係の説明図 物体面と投射面との共役関係の説明図 投射物体の概略図 画像投射装置の投射光学系の瞳面の光強度分布の説明図 画像投射装置の投射光学系の瞳面の線像の光強度分布の説明図 物体面と投射面の光強度分布の説明図 投射面におけるボケ線像の説明図 本発明における投射面のボケ像の説明図 本発明の照明光学系に係る偏光変換素子の説明図

以下、本発明の照明光学系及びそれを有する画像投射装置の最良の形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明の被照射面を照明する照明光学系は、光源手段からの光を光束分離手段で複数の光束に分離し、分離した複数の光源像に基づく光束を集光手段で集光し、被照射面に重畳している。このとき被照射面に設けた画像表示素子を所定面上に投射する投射光学系（投射レンズ）の瞳（射出瞳）に形成される複数の光源像の結像位置を光路中に設けた光源像移動手段で光軸と垂直な方向に変位（移動）させている。好ましくは画像を投射している間、変位させるのが良い。ここでの所定面とは、スクリーン面（被投射面）等のことであり、光源像の結像位置は実質的に投射光学系の瞳の位置（ほぼ絞りの位置）に相当する。また、前述の光源像移動手段は、光源像の結像位置を連続的に変位させる（変化させる、移動させる）ことが可能である。光源像移動手段は、例えば光束分離手段を収納し、光軸と直交する方向に移動可能な筐体部又は光軸に垂直で、かつ互いに直交する軸を中心として振動する第１、第２の平行平板又は光軸に対して傾いた回動可能な平行平板等を有している。

［実施例１］
図１は本発明の照明光学系を有する画像投射装置の実施例１の中心軸（光軸）Ｏを含む断面における要部概略図である。図１において、１は光源手段であり、高圧水銀ランプ（メタルハライドランプ等でも構わない）の白色光を放射する光源である。２はリフレクターであり、光源手段１からの光束を効率良く反射する回転楕円鏡や回転放物面（凹面鏡）等から成っている。３は光束分離手段としての、第１レンズアレイ（第１フライアイレンズ）であり、光源手段１側からの光束を複数の光束に分割（分離）している。４は第２レンズアレイ（第２フライアイレンズ）であり、第１レンズアレイ３に対応して配置されている。

５は偏光変換素子（偏光ビームスプリッター）であり、無偏光光を特定の偏光方向に揃えるための偏光分離面を有し、それによって所定の偏光状態の光を反射し、それと直交する偏光状態の光を透過させている。第１、第２レンズアレイ３、４を通過した光束による複数の光源像は、偏光変換素子５の近傍に形成される。６ａは第１のコンデンサーレンズである。６ｂは第２のコンデンサーレンズである。第１、第２コンデンサーレンズ６ａ、６ｂは集光レンズ（集光手段）６を構成している。集光レンズ６は複数の光源像から出射した光束を各々画像表示素子７面に重畳し、照明している。７は被照射物体（画像表示素子）としての液晶パネル（ライトバルブ、以下「パネル」とも言う）である。第１レンズアレイ３とパネル７とは共役関係にある。８は投射光学系（投射レンズ）であり、パネル７に基づく画像情報をスクリーン（所定面上）Ｓに投射している。

本実施例において偏光変換素子５の近傍に形成された複数の光源像は投射レンズ８の瞳ＥＰに形成される。即ち、複数の光源像の位置と投射レンズ８の瞳ＥＰは共役関係にある。図５は第１のレンズアレイ３の要部平面図である。第１のレンズアレイ３は複数の微小レンズ３ａを２次元的に配列した構成より成っている。第２のレンズアレイ４の構成も図４に示す第１のレンズアレイ３と同様である。

図１８は偏光変換素子５の一部分の説明図である。偏光変換素子５は、複数の偏光分離面５ａと、複数の反射面５ｂと、複数の１／２波長板５ｃとを有する。ここでの偏光変換素子５は、具体的には偏光分離面５ａと反射面（偏光分離面でも可）５ｂと１／２波長板５ｃとを１セットとし、このセットを複数個配列した（光軸に対して略直交する方向に）アレイ状の光学素子（偏光変換素子）である。この偏光変換素子５において、各偏光分離面５ａに入射した光のうち、所定の偏光方向を有する偏光成分はこれを透過して偏光変換素子５から射出する。

一方、各偏光分離面５ａに入射した光のうち、上記所定の偏光方向に直交する偏光方向を有する偏光成分は、該偏光分離面５ａで反射し、さらに反射面５ｂで反射する。そして、１／２波長板５ｃで、その偏光方向が９０度変換されて、偏光変換素子５から射出する。こうして偏光変換素子５は、入射した無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換して射出する。

本実施例ではリフレクター２から集光レンズ６までの各光学素子より照明光学系を構成している。ここで第１のレンズアレイ３から偏光変換素子４までが独立したレンズアレイ部筐体Ｋ１に収納固定されている。レンズアレイ部筐体Ｋ１と後述する駆動手段１１は光源像移動手段を構成している。レンズアレイ部筐体Ｋ１は第１、第２のレンズアレイ３、４や偏光変換素子等の光学素子を保持する光学素子保持部９と光学素子保持部９を収容する筐体部１０を有している。

光学素子保持部９と筐体部１０は光学素子が光軸Ｏと直交する方向(垂直方向)に移動可能となるように連結により保持されている。投射レンズ８で画像表示素子７に基づく画像をスクリーンＳに投射するときには、光学素子保持部９を駆動手段１１で集光レンズ６の光軸Ｏに対して垂直な方向に移動させている。これにより、第１のレンズアレイ３による第２のレンズアレイ４近傍に形成される光源像を時間的に移動するようにして、これと共役な投射レンズ８における瞳面ＥＰ内の光の強度分布を移動させている。

図１７は、本実施例で得られる効果の説明図である。図１４に示したような瞳面上の強度分布を強度のピーク間で周期的に移動させることにより、図１６に示したボケ部の強度分布は図１７のように滑らかに変化するボケ部に変換することができる。図１７において点線は図１６におけるボケ部を示している。これにより投射レンズ８の瞳ＥＰ面上の光の光強度分布は時間的に滑らかになるので、観察者が感じない程度に光学素子保持部９を高速に移動させることにより投射画像の品位が良く、ボケ像の品位を高めることができる。ここでレンズアレイ部筐体Ｋ１を移動するときには、第１、第２のレンズアレイ３、４の辺は常に平行な状態で移動させることにより、画像表示素子７の照明エリアを一定に保つことができる。又、移動は画像を投射している間中、連続的に行っても良く、又ピントが合ったならば一時中断しても良い。

［参考例１］
図２は照明光学系を有する画像投射装置としての参考例１の中心軸Ｏを含む要部断面図である。本参考例は実施例１に比べて、レンズアレイ部筐体Ｋ１の代わりに偏光変換素子５と集光レンズ６の間に光源像移動手段Ｋ２を構成する第１の平行平板２１と第２の平行平板２２を設けている点が異なっており、その他の構成は同じである。図１に示す実施例１と同じ光学素子には同一の符号を付けている。

本参考例では、投射光学系８でパネル７に基づく画像情報をスクリーンＳに投射するときには、第１の平行平板２１を駆動手段２３で集光レンズ６の光軸Ｏに垂直な方向の第１の軸ａ１を中心として連続的に所定の角度の範囲内で駆動する。そしてさらに第２の平行平板２２を駆動手段で第１の軸ａ１とは直交する方向の第２の軸ａ２を中心として連続的に所定の角度の範囲内で振動する。これにより、レンズアレイ３、４による光源像を時間的に平均化している。これによって投射光学系８における瞳ＥＰの光強度分布を滑らかにして、投射画像のボケ像の品位を高めている。

［参考例２］
図３は照明光学系を有する画像投射装置としての参考例２の中心軸Ｏを含む要部断面図である。本参考例は実施例１に比べてレンズアレイ部筐体部Ｋ１の代わりに偏光変換素子５と集光レンズ６の間に集光レンズ６の光軸Ｏに対して傾けた回動可能な平行平板３１を光源像移動手段Ｋ３として設けている点が異なっており、その他の構成は同じである。図１に示す実施例１と同じ光学素子には同一の符号を付けている。平行平板３１は円筒状の筐体３２に固定されており、筐体３２はモーターなどの駆動手段３３により集光レンズ６の光軸Ｏを中心に回転する。

本参考例では、投射光学系８でパネル７に基づく画像情報をスクリーンＳに画像を投射するときには、平行平板３１は集光レンズ６の光軸Ｏに平行な方向の軸を中心として連続的に回転し、レンズアレイ３、４による光源像を時間的に移動し、平均化している。これによって、投射光学系８における瞳ＥＰの光強度分布も滑らかにして、投射画像のボケ像の品位を高めている。

［参考例３］
図４は照明光学系を有する画像投射装置としての参考例３の中心軸Ｏを含む要部断面図である。本参考例は参考例１に比べて、偏光変換素子５と集光レンズ６の間に光源像移動手段Ｋ４を構成する複屈折を有する光学素子（ローパスフィルタ）２４と第２の平行平板（平行平板）２２を設けている点が異なっており、その他の構成は同じである。図２に示す実施例２と同じ光学素子には同一の符号を付けている。

本参考例では、投射光学系８でパネル７に基づく画像情報をスクリーンＳに投射するときには、第２の平行平板２２を駆動手段で光軸Ｏと直交する方向の第２の軸ａ２を中心として連続的に所定の角度の範囲内で振動する。これにより、レンズアレイ３、４による光源像を時間的に平均化している。これによって投射光学系８における瞳ＥＰの光強度分布を滑らかにして、投射画像のボケ像の品位を高めている。実施例１、参考例１から参考例３で用いた複数の微小レンズ３ａを格子状に配列した第１のレンズアレイ３の構成として、図６に示すように微小レンズ３ｂの一部を偏光変換素子５の列方向に適当にずらしても良い。このような第１レンズアレイ３を用いれば、投射光学系８の瞳ＥＰ面上の光強度分布を、より平均化することが容易となる。このとき第２のレンズアレイ４に関しても第１のレンズアレイ３と同様に構成するのが良い。各参考例で用いる画像表示素子は、透過型でも反射型であっても良い。

［参考例４］
図７は照明光学系を有する画像投射装置としての参考例４の中心軸Ｏを含む要部断面図である。図７において、４１は光源手段であり、高圧水銀ランプ（メタルハライドランプ等でも構わない）の白色光を放射する光源である。４２はリフレクターであり、光源手段４１からの光束を効率良く反射する回転楕円鏡（凹面鏡）から成っている。

４３は光束分離手段であり、中実又は中空のロット部材より成り、光源手段４１からの光束を導光し、複数の光源像を形成している。４３ｉｎは光束分離手段４３の入射面、４３ｏｕｔは光束分離手段４３の出射面であり、いずれも長方形状をしている。４５は第１集光レンズであり、光束分離手段４３からの光束を集光している。４６は第２集光レンズであり、第１集光レンズ４６と後述する回動可能な平行平板４９を通過した光束を集光して、画像表示素子４７を複数の光束を重畳して照明している。４８は画像表示素子４７に基づく画像光をスクリーンＳ上に投射する投射光学系である。

本参考例では、光束分離手段４３で分離された複数の光束による複数の光源像は第１集光レンズ４５により、第１集光レンズ４５と第２集光レンズ４６の間に形成されたのち、投射レンズ４８の射出瞳面ＥＰに共役像を形成する。第１集光レンズ４５と第２集光レンズ４６の間に集光レンズ６の光軸Ｏに対してあらかじめ傾けた参考例２と同様な構成の平行平板４９を光源像移動手段Ｋ３として設けている。画像表示素子４７における照明領域を一定に保つためには光束分離手段４３から射出する光束の中心光線が第１集光レンズ５と第２集光レンズ４６の間で、光軸Ｏに平行となるいわゆるテレセントリックな光学系となっているのが良い。図７では第１集光レンズ４５と、第２集光レンズ４６は１枚のレンズであるが、これに限定するものではない。

［参考例５］
図８は照明光学系を有する画像投射装置としての参考例５の中心軸Ｏを含む要部断面図である。本参考例の画像投射装置は、光源手段１から出射した光束を色分解してＲ、Ｇ、Ｂ用の複数の画像表示素子に導き、複数の画像表示素子からの光を色合成系して、投射光学系で投射するカラープロジェクターである。

図８において、５１は連続スペクトルで白色光を発光する光源（光源手段）である。５２は光源５１からの光を所定の方向に集光するリフレクターである。５３は第１のレンズアレイ、５４は第２のレンズアレイであり、それぞれが複数の微細な光学素子（レンズ）を有するフライアイレンズアレイ又はシリンドリカルレンズアレイから成り、光源５１からの光を複数の光束に分割している。５５は入射した無偏光光を所定の偏光光に揃えて出射させている偏光変換素子である。Ｋ２は光源像移動手段である。本参考例の光源像移動手段Ｋ２は参考例１と同じ構成より成っている。

５６は集光レンズであり、第１コンデンサーレンズ５６ａと第２コンデンサーレンズ５６を有している。５７は緑の光（Ｇ）を透過し、青（Ｂ）、赤（Ｒ）の光を反射するダイクロミラーである。５８は赤の光の偏光状態を９０度変換させ、青の光の偏光状態を変換しない色選択性位相板である。５９は第１の偏光ビープスプリッターで、６０は第２の偏光ビープスプリッターであり、いずれもプリズム体より成っている。６１，６２，６３はそれぞれＧ、Ｒ，Ｂ用の位相板である。６４、６５、６６はそれぞれＧ、Ｒ，Ｂの反射型液晶表示素子である。６７はＧの投射光とＢ、Ｒの投射光を合成する色合成プリズム（色合成系）である。６８は投射レンズである。Ｓはスクリーンである。

次に光学的な作用を説明する。光源５１から発した光はリフレクター５２により所定の方向に集光される。これらリフレクター５２からの集光光束は第１のレンズアレイ５３に入射し、第２レンズアレイ５４を経て、マトリックス状に複数の光源像（第１の発光点像）を偏光変換素子５５の近傍に形成する。偏光変換された複数の光束は、偏光変換素子５５の近傍で集光した後、光源像移動手段Ｋ２を介し、集光レンズ５６に至る。集光レンズ５６により第１、第２レンズアレイ５３、５４の矩形形状の像ができる位置で複数の光束がそれぞれ重なり、矩形の均一な照度分布を持つ照明エリアを３つ形成する。この３つの照明エリアに各々反射型液晶表示素子６４、６５、６６を配置している。反射型液晶表示素子６４、６５、６６は色分解系５９、６０によって各々対応する色光で照明される。そして色合成系６７で合成された各画像情報に基づくＲ、Ｇ、Ｂ光の投射光は、投射レンズ６８によりスクリーンＳなどに投影され、そこに画像情報を形成する。

本参考例においても、参考例１と同様、光源像移動手段Ｋ２で、第１、第２の平行平板２１、２２を振動させている。これにより、投射レンズのピントをずらしたときのボケが滑らかなボケとなり、ピント調整時における画像の品位を大幅に向上させることができる。

１ 光源手段、２ リフレクター、３ 第１レンズアレイ、４ 第２レンズアレイ、５ 偏光変換素子、６ 集光レンズ、６ａ 第１コンデンサーレンズ、６ｂ 第２コンデンサーレンズ、７ 画像表示素子、８ 投射光学系、Ｋ１〜Ｋ４ 光源像移動手段、ＥＰ 瞳、Ｏ 光軸（中心軸）

Claims (2)

1. 画像表示素子を照明する照明光学系であって、
   光源からの光を複数の光束に分離し、複数の光源像を形成する第１レンズアレイと、
   前記第１レンズアレイよりも前記画像表示素子側に配置された第２レンズアレイと、
   前記第２レンズアレイから出射した光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
   前記複数の光束を被照射面に重畳する集光手段と、
   前記画像表示素子により変調された光を所定面上に投射する投射光学系の瞳に形成される複数の光源像の位置を移動させる光源像移動手段を有し、
   前記光源像移動手段は、
   前記第１レンズアレイと前記第２レンズアレイと前記偏光変換素子とを保持し、光軸に垂直な方向に移動可能な光学素子保持部と、
   前記光学素子保持部を前記光軸に垂直な方向に移動させる駆動手段を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記画像表示素子と、
   前記画像表示素子を照明する請求項１に記載の照明光学系と、
   前記画像表示素子により変調された光を投射する投射光学系を有することを特徴とする画像投射装置。