JP5440355B2 - 光路合成装置、照明装置、投影型画像表示装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の異なる波長の光を出射する光源からの光を同一の光路に合成する光路合成装置、複数の光源から変調されて射出された光を合成して同一方向へ照射する照明装置、該照明装置を備えたレーザー走査型プロジェクタ等の投影型画像表示装置、及び該投影型画像表示装置を備えた電子機器に関する。

近年、ＬＥＤやレーザーなどを用いた投影型画像表示装置（以下「プロジェクタ」と記述する）の開発が盛んであり、小型で携帯可能なプロジェクタとして期待されている。

例えば、特許文献１に記載されているように、３原色のレーザーとＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、微小電気機械システム）ミラーを組み合わせた走査型の小型プロジェクタは構成部品が少なく、超小型化が可能な点から多くの開発が進められている。

このような３原色のレーザーとＭＥＭＳミラーとから成る走査型プロジェクタの従来例を図１１に示す。図１１に示したプロジェクタでは、それぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のレーザー光を放射する半導体レーザー１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂと、半導体レーザー１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂからのレーザー光を集光するレンズ２−Ｒ、２−Ｇ、２−Ｂと、それぞれ赤色光、緑色光、青色光のみを反射し、その他の光を透過させるダイクロイックミラー３−Ｒ、３−Ｇ、３−Ｂと、傾斜角が可変なミラーを備えたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー装置５０１と、ＭＥＭＳミラー装置５０１のミラーを水平方向及び垂直方向に回動させると共に、入力ビデオ信号に応じて半導体レーザー１−Ｒ、１−Ｇ、１−Ｂから光強度変調されたレーザー光を放射させる制御回路５０２とから構成される。制御回路５０２は、ミラー制御手段と変調手段を有しており、これに同期してレーザー光強度を変調せしめることによって、スクリーン５０３上で画像を形成する。

例えば、特許文献２に記載されているように、３色の光源、それぞれ赤、緑、青、６０１Ｒ、６０１Ｇ、６０１Ｂの光をダイクロイックプリズム６０２で合成し、集光レンズ６０３で集光する例を図１２に示す。

このような構成においては、集光レンズは１枚であるが、ダイクロイックプリズム６０２が同じ形の直角三角形のプリズムにより構成されている。つまり、光源とレンズの間に同一の厚みを持つプリズムが挿入されていることになる。

特許文献１に記載されている色合成の手法は、各レーザーに対して集光レンズが必要であり、部品点数が増え、また小型・軽量化を阻害する要因となるという問題があった。

また特許文献２に記載されている方法では、光学材料は、異なる波長に対しては、異なる屈折率をもつため、この構成であると、１つの波長に対してはレンズを最適化できても、他の波長に対しては、球面収差が発生する。つまり、波長の異なる光全てに対し、収差の小さいレンズを実現することは難しいという問題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、小型化と光束の波面品質の向上に寄与できる光路合成装置、照明装置、投影型画像表示装置及び電子機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光路合成装置は、少なくとも２以上の波長の異なる光源と、少なくとも２以上の光源からの光を同一の光路に合成する直角プリズムと、同一の光路に合成された光をカップリングするカップリングレンズと、を有し、直角プリズムは、４つの大きさの異なる直角三角形のプリズムをそれぞれの直角な箇所が一箇所に集まるように張り合わせて構成されることを特徴とする。

本発明により、小型化と光束の波面品質の向上に寄与できる光路合成装置、照明装置、投影型画像表示装置及び電子機器を提供することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る光路合成装置の構成図である。 本発明の実施形態に係るカップリングレンズ５の構成図である。 本実施形態のカップリングレンズの性能シミュレーション結果を示す図である。 各波長に対するカップリングレンズ５の焦点距離ｆとダイクロイックプリズム４の厚さの関係を示す図である。 各波長に対するカップリングレンズ５の焦点距離ｆとダイクロイックプリズム４の厚さの関係を示す図である。 ダイクロイックプリズムを使用して設計したカップリングレンズ５の設計例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る光路合成装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る投影型画像表示装置の構成図である。 本実施形態に係るＭＥＭＳミラーの構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る電子機器を示す図である。 従来の３原色のレーザーとＭＥＭＳミラーとから成る走査型プロジェクタの構成図である。 従来の３色の光源、それぞれ赤、緑、青、６０１Ｒ、６０１Ｇ、６０１Ｂの光をダイクロイックプリズム６０２で合成し、集光レンズ６０３で集光する例を示す図である。

本発明の好適な実施の形態について以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光路合成装置の構成図である。

本光路合成装置は、第１の波長λ１の光を発する第１の光源１と、第２の波長λ２の光を発する第２の光源２と、第３の波長λ３の光を発する第３の光源３と、ダイクロイックプリズム４と、カップリングレンズ５と、を備える。各光源から出射した光は、ダイクロイックプリズム４で光路が合成され、カップリングレンズ５に入射し、各光束の光軸が一致した状態でカップリングレンズを出射する。

第１の光源１としては赤色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「赤色ＬＤ」と呼ぶ）を、第２の光源２としては緑色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「緑色ＬＤ」と呼ぶ）を、第３の光源３としては青色波長領域の光を発する半導体レーザ（以下「青色ＬＤ」と呼ぶ）を用いることができる。

赤色、緑色、青色波長領域は、それぞれおよそ、６００ｎｍ〜７００ｎｍ、５００ｎｍ〜５８０ｎｍ、４００ｎｍ〜４８０ｎｍの波長範囲を指しており、赤色ＬＤとしては、例えば波長λ１が６４０ｎｍの光を発するＬＤを、緑色ＬＤとしては例えば波長λ２が５３０ｎｍの光を発するＬＤを、青色ＬＤとしては例えば波長λ１が４４５ｎｍの光を発するＬＤを用いることができる。以下では、この波長に基づいて説明する。

図２は、本実施形態に係るカップリングレンズ５の構成図である。

図２に示ように、カップリングレンズ５の光束出射側から光束を入射させカップリングレンズ５の性能をシミュレーションした。

そのシミュレーション結果を図３に示す。横軸は像高（ｍｍ）で、縦軸は波面収差（λ）である。破線はダイクロイックプリズム４が、同一形状の直角プリズムで形成されている状態で設計したカップリングレンズ性能を示し、実線は本発明の大きさの異なる直角プリズムで形成されている場合のカップリングレンズ性能を示す。

入射光束の径はどちらも２（ｍｍ）、カップリングレンズ５の焦点距離ｆは約５（ｍｍ）とした。

図４及び図５は、各波長に対するカップリングレンズ５の焦点距離ｆとダイクロイックプリズム４の厚さの関係を示す図である。

図４は、ダイクロイックプリズム４が、同一形状の直角プリズムで形成されている場合を示し、図５は、本発明の大きさの異なる直角プリズムで形成されている場合を示す。

ここで、各波長の光に対するダイクロイックプリズムの厚さとは、各波長の光源の光軸の光がダイクロイックプリズムを通過する距離のことであり、図１に示したように、λ１の波長の光に対するダイクロイックプリズムの厚みは、距離ＡＸ＋距離ＸＤであり、λ２の波長の光に対するダイクロイックプリズムの厚みは、距離ＢＸ＋距離ＸＤであり、λ３の波長の光に対するダイクロイックプリズムの厚みは、距離ＣＸ＋距離ＸＤである。

距離ＡＸ、距離ＢＸ、距離ＣＸがそれぞれの直角プリズムの高さに相当する。

図６は、本発明のダイクロイックプリズムを使用して設計したカップリングレンズ５の設計例である。図２に示した、５−１面、及び５−２面の面形状をそれぞれ示してある。

なお、上記の実施形態においては直角プリズムを例にして説明したが、これに限ることはなくプリズムを張り合わせた構成のダイクロイックプリズムであれば適用可能である。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る光路合成装置の構成図である。

本光路合成装置は、第１の波長λ１の光を発する第１の光源１と、第２の波長λ２の光を発する第２の光源２と、第３の波長λ３の光を発する第３の光源３と、を備える。各光源から出射した光は、厚みの異なる平行平板１０１、１０２、１０３を通過した後、等しい大きさの直角プリズムを張り合わせた構成のダイクロイックプリズム１０４で光路が合成され、カップリングレンズ５に入射し、各光束の光軸が一致した状態でカップリングレンズを出射する。

本実施形態では、等しい大きさの直角プリズムを張り合わせた構成のダイクロイックプリズムにおいて、厚みの異なる平行平板１０１、１０２、１０３を用いても図１に示した実施形態と同様な効果が得られる。

なお、上記の実施形態においては直角プリズムを例にして説明したが、これに限ることはなくプリズムを張り合わせた構成のダイクロイックプリズムであれば適用可能である。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る投影型画像表示装置の構成図である。

本実施形態は、図１で示した光路合成装置を照明装置として適用した走査型プロジェクタ（投影型画像表示装置）の一例を示す。

図１と同機能の部品、部位には同一番号が付してある。図８に示した走査型プロジェクタ（投影型画像表示装置）３０では、図１で示した照明装置（光路合成装置）２０に加え、照明装置から出射される光を２次元的に走査する走査手段５０と、走査手段５０と照明装置２０の光源を制御する制御装置５１と、をさらに備える。

制御装置５１は、走査手段５０の動きと同期して所望の画像が加えられるように光源に変調を加える。走査手段５０は図８において矢印５２の方向に反射面を振ることができるようになっており、さらに軸５３の回りに矢印５４の方向にも反射面を振ることができる。

これによって、スクリーン５５上には２次元的な投影像が形成されることとなる。

走査手段５０としては、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、半導体プロセス技術を用いて製造されるＭＥＭＳミラーなどを用いることができる。特にＭＥＭＳミラーは非常に小型で低消費電力であるため、小型プロジェクタに適用するには最も好適である。

なお、図８では１枚で２軸可動なものを示したが、１軸に可動なミラーを２つ用いても良い。

図９は、本実施形態に係るＭＥＭＳミラーの構成図である。

本実施形態の走査手段５０として用いることが可能なＭＥＭＳミラー９０は、反射面を持つ微小ミラー９１がトーションバー９２、９３で支持された構造を有する。微小ミラー９１は、トーションバー９２が捻れることで軸９４を略中心とした往復運動を行う。また、トーションバー９３が捻れることで軸９５を略中心とした往復運動を行う。この両軸９４、９５を略中心とする往復運動によって、微小ミラー９１の偏向面の法線方向が２次元的に変化する。

このため、微小ミラー９１に入射するビームの反射方向が変化し、これにより、ビームを２次元方向に走査することができる。

また光源部の小型化、微小ミラーによって、本実施形態の構成で実現される投影型画像表示装置３０は超小型化が可能である。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る電子機器を示す図である。

第３の実施携帯で示した投影型画像表示装置を、電子機器に内蔵した一例を示す。

図１０は、携帯電話７０に超小型投影型画像表示装置７１を内蔵した例である。携帯電話７０に超小型投影型画像表示装置７１を内蔵し、スクリーン７３上に照明光７２を２次元的に走査し画像を形成する。スクリーン７３は特別なものでなく、例えば机や壁などで良い。

なお本実施形態では、携帯電話に内蔵した例を示したが、これに限ることではなく、例えばデジタルカメラ、ノートパソコン、ＰＤＡ等でもよい。

上記の実施形態によれば、波長の異なる３つの光源からの光を、各波長ごとに厚みの異なる単一のダイクロイックプリズムで光路合成するので、合成した光を単一のカップリングレンズでカップリングすることが可能となり、小型で、収差の小さい照明装置を構成することが可能となる。

また上記の実施形態によれば、波長の異なる３つの光源からの光を、各波長ごとに厚みの異なる単一のダイクロイックプリズムで光路合成するので、合成した光を単一のカップリングレンズでカップリングすることが可能となり、小型で、収差の小さい照明装置を構成することが可能となる。

また上記の実施形態によれば、上記の照明装置と、該照明装置から出射される光を２次元に走査可能な手段と、波長の異なる３つの光源の出力を前記操作手段の動きに同期して制御する制御手段を有しているので、小型で、投影面上のスポットの収差の小さい投影型画像表示装置を実現できる。

また上記の実施形態によれば、投影型画像表示装置を電子機器に内蔵したので、電子機器の画像、映像データをその場で、スクリーンに投影でき、複数人の間で、情報の共有が容易に行える。

なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

本発明に係る光路合成装置の前記プリズムは、波長の長い光が透過するものほど該プリズムの高さが高いことを特徴とする。

本発明に係る照明装置は、上記に記載の光路合成装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る上記に記載の照明装置を備えた投影型画像表示装置は、前記照明装置の前記カップリングレンズから出射する光を２次元に走査可能な走査手段と、前記少なくとも２以上の波長の異なる光源からの出力を前記操作手段の動きに同期して制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る電子機器は、上記に記載の投影型画像表示装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、光路合成装置、照明装置、画像表示装置及びデジタルカメラ、ノートパソコン、ＰＤＡ等の電子機器などの用途に適用できる。

１ 第１の光源
２ 第２の光源
３ 第３の光源
４ ダイクロイックプリズム
５ カップリングレンズ
５−１、５−２ レンズ面
６、７、８、９ レンズ
１０ 平行平板
２０ 照明装置（光路合成装置）
３０ 走査型プロジェクタ（投影型画像表示装置）
５０ 走査手段
５１ 制御装置
５２、５４ 矢印
５３ 軸
５５ スクリーン
７０ 携帯電話
７１ 超小型投影型画像表示装置
７２ 照明光
７３ スクリーン
９０ ＭＥＭＳミラー
９１ 微小ミラー
９２、９３ トーションバー
９４、９５ 軸
１０１、１０２、１０３、１０４ 平行平板
５０２ 制御回路
５０３ スクリーン
６０１Ｒ、６０１Ｇ、６０１Ｂ 光
６０２ ダイクロイックプリズム
６０３ 集光レンズ

特許第４０３１４８１号公報 特開２００１−１５４６０７号公報

Claims (5)

1. 少なくとも２以上の波長の異なる光源と、
   前記少なくとも２以上の光源からの光を同一の光路に合成する直角プリズムと、
   前記同一の光路に合成された光をカップリングするカップリングレンズと、
   を有し、
   前記直角プリズムは、４つの大きさの異なる直角三角形のプリズムをそれぞれの直角な箇所が一箇所に集まるように張り合わせて構成されることを特徴とする光路合成装置。
2. 前記直角プリズムは、波長の長い光が透過するものほど前記直角三角形の高さに相当する前記直角プリズムの高さが高いことを特徴とする請求項１に記載の光路合成装置。
3. 請求項１または２に記載の光路合成装置を備えることを特徴とする照明装置。
4. 前記照明装置の前記カップリングレンズから出射する光を２次元に走査可能な走査手段と、
   前記少なくとも２以上の波長の異なる光源からの出力を前記操作手段の動きに同期して制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の照明装置を備えた投影型画像表示装置。
5. 請求項４に記載の投影型画像表示装置を備えることを特徴とする電子機器。

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