JP6208942B2 - プロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクターに関する。

プロジェクターでは、光源からの光で空間光変調器を均一に照明するためにロッドインテグレータが用いられる。光源としては、ＬＥＤなどの面光源が利用されるようになってきた。特許文献１、２には、ＬＥＤおよびロッドインテグレータを有する装置が記載されている。特許文献１に記載された装置では、ロッドインテグレータの入射面の大きさとＬＥＤの発光面の大きさとが同一である。特許文献２に記載された装置では、ＬＥＤからの光をロッドインテグレータの入射面でできるだけ多く取込むために、ロッドインテグレータの入射面の大きさがＬＥＤの発光面の大きさよりも大きくされている。

特開２００６−２２０９１１号公報 特開２００４−９３６２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された装置では、ＬＥＤとロッドインテグレータとが光軸に垂直な方向に関してずれているとＬＥＤからの光の取込量が減少するため、高い精度での位置合わせが必要である。

特許文献２に記載された装置でも、ＬＥＤとロッドインテグレータとを高い精度で位置合わせする必要がある。特許文献２に記載された装置ではＬＥＤとロッドインテグレータを同一の部材で保持するなどして位置合わせの精度を高くしているが、保持部材の加工精度を高くする必要があるためコスト増につながる。また、同一の部材でＬＥＤとロッドインテグレータを保持する場合にはＬＥＤの交換時にロッドインテグレータも取り外す必要があるなど、交換に手間がかかってしまう。

本発明は、面光源とロッドインテグレータとの位置合わせに要求される精度を低くすることを目的とする。

本発明の１つの側面は、面光源と、空間光変調器と、前記面光源からの光を受けて前記空間光変調器を照明する照明系と、前記空間光変調器からの光による像を形成する投影レンズとを有するプロジェクターに係り、前記面光源は、発光素子の発光領域または前記発光領域の像であり、前記照明系は、ロッドインテグレータを含み、前記ロッドインテグレータは、その入射面が前記面光源に直接に面するように配置され、前記ロッドインテグレータの入射面の大きさは、前記面光源の大きさより小さく、前記ロッドインテグレータの入射面は矩形であり、前記面光源と前記入射面との間の空気換算距離が前記入射面の短辺の１／２以下である。

本発明によれば、面光源とロッドインテグレータとの位置合わせに要求される精度を低くすることができる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図。 第１実施形態を説明するための図。 第１実施形態を説明するための図。 第１実施形態を説明するための図。 第１実施形態の変形例を示す図。 第１実施形態の変形例を示す図。 第２実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１には、本発明の第１実施形態のプロジェクター１００の概略構成が示されている。プロジェクター１００は、面光源１０２と、空間光変調器１０６と、面光源１０２からの光を受けて空間光変調器１０６を照明する照明系１５０と、空間光変調器１０６からの光による像をスクリーンに形成する投影レンズ１０７とを備えうる。

面光源１０２は、例えば、ＬＥＤなどの発光素子１０１の発光領域でありうるが、該発光領域の像であってもよい。該発光領域の像は、発光素子１０１の発光領域（物体面）と共役な位置（像面）に不図示の光学系によって形成されうる。面光源１０２の形状は、例えば矩形である。空間光変調器１０６は、例えば、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)などのデバイスでありうる。

照明系１５０は、ロッドインテグレータ１０３と、リレーレンズ１０４とを含みうる。ロッドインテグレータ１０３は、入射面１０３１および出射面１０３２を有する直方体形状の光学部材でありうる。あるいは、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１は、矩形でありうる。ロッドインテグレータ１０３は、入射面１０３１が面光源１０２に対向するように配置されている。ロッドインテグレータ１０３は、面光源１０２から放射された光を入射面１０３１で受けて、その光をロッドインテグレータ１０３の側面で複数回にわって反射させることによって、出射面１０３２に均一化された照度分布を形成する。

ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさは、面光源１０２の大きさより小さい。換言すると、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１は、面光源１０２（発光素子１０１の発光領域又はその像）の外縁の内側に収まる形状及び寸法を有する。リレーレンズ１０４は、ロッドインテグレータ１０３の出射面からの光によって空間光変調器１０６を照明する。投影レンズ１０７は、空間光変調器１０６からの光による像をスクリーンに投影する。

プロジェクター１００は、ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１０５を備えてもよい。ＴＩＲプリズム１０５は、２つの三角柱プリズムを微小な空気間隔を有した状態で接着して構成されるプリズムであり、リレーレンズ１０４からの光を透過させ、空間光変調器１０６で反射した光を２つの三角柱プリズムの境界面で反射させる。

第１実施形態における１つの設計例である第１設計例では、面光源１０２の大きさは４×３ｍｍである。また、ロッドインテグレータ１０３は直方体形状を有し、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさは３．６×２．７ｍｍであり、ロッドインテグレータ１０３の長さ（入射面１０３１と出射面１０３２との距離）は２０ｍｍである。また、空間光変調器１０６の大きさは１１．２×８．４ｍｍであり、投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーは２．４である。

図２に例示されるように、第１実施形態では、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさは、面光源１０２の大きさよりも小さい。そのため、面光源１０２とロッドインテグレータ１０３とが光軸ＡＸと垂直な方向に関して相対的にずれたとしても、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１が面光源１０２の大きさの範囲内（図２に矢印で示されている。）であれば、ロッドインテグレータ１０３による面光源１０２からの光の取込量の減少は小さい。したがって、光軸ＡＸに垂直な方向に関して面光源１０２とロッドインテグレータ１０３との間に要求される位置合わせ精度が低くなる。これにより、例えば、面光源１０２とロッドインテグレータ１０３との保持部材を高精度で加工しなくてよいため、コストを下げることができる。また、故障等により面光源１０２を交換する際に要求される面光源１０２の取り付け精度が低いため、交換が容易となる。

ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが面光源１０２の大きさよりも小さい場合、ロッドインテグレータの入射面の大きさが面光源の大きさ以上である場合に比べると、ロッドインテグレータ１０３が面光源１０２から取り込める光量は少ない。

しかしながら、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが小さいと、面光源１０２からの光の取込角度が小さく、ロッドインテグレータ１０３の出射面１０３２からの光の放射立体角が小さい。また、エタンデュ保存則より、光束の断面積と放射立体角との積が保存されることから、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが小さいと、それに応じて空間光変調器１０６とロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１との面積比が大きくなる。よって、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが小さいと、空間光変調器１０６に入射する立体角が小さくなる。以上より、第１実施形態では、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが面光源１０２の大きさ以上である場合と比べて、空間光変調器１０６に入射する光の立体角が小さくなる。投影レンズ１０７で取り込むことができる光の立体角は、投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーで決まるので、空間光変調器１０６に入射する光の立体角が小さい方が投影レンズ１０７で取り込める光量が多くなる。

以上の関係が図３に示されている。図３の横軸は直方体形状のロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の長辺の長さであり、縦軸は光の取込効率である。図３には、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の長辺を変化させたときのロッドインテグレータ１０３による面光源１０２からの光の取込効率（「面光源からの取込効率」）が示されている。図３には、また、投影レンズ１０７によるロッドインテグレータ１０３からの光の取込効率（「投影レンズの取込効率」）が示されている。図３には、また、全系の照明効率（「面光源からの取込効率」×「投影レンズの取込効率」）が示されている。図３から分かるようにロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の長辺の長さを短くすると、ロッドインテグレータ１０３による面光源１０２からの光の取込効率は減少するが、投影レンズ１０７によるロッドインテグレータ１０３からの光の取込効率は増加する。その結果、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさを面光源１０２の大きさよりも小さくしたときに、全系の照明効率が最大となる。

このように、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさを面光源１０２の大きさよりも小さくすることで、投影レンズ１０７での取込効率を増加させ、これによって全系の照明効率を高くすることができる。

図３に示す例において、直方体形状のロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の長辺の長さが４ｍｍであるときは、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが面光源１０２の大きさと同じときである。ロッドインテグレータの入射面の大きさが面光源の大きさと同じ場合における全系の照明効率よりも１％以上高い照明効率を得るためのロッドインテグレータの入射面の面積は、面光源の面積の７０％以上かつ９０％以下である。

上記の第１設計例では、投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーが２．４である。投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーが大きい、即ち投影レンズ１０７で取り込める立体角が小さいと、投影レンズ１０７による光の取込効率が下がる。よって、図３における「投影レンズの取込効率」のグラフは左にシフトする。そのため、ロッドインテグレータ１０３の入射面の大きさを面光源１０２の大きさよりも小さくすることで、全系の照明効率が最大になりやすい。したがって、投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーは２．０以上であることが望ましい。

また、第１設計例において、面光源１０２の放射角分布は、図４のように、半値幅が９０度（±４５度）である。面光源１０２の放射角分布の半値幅が小さい、即ち０度方向の出射強度が大きいと、ロッドインテグレータ１０３の入射面が小さくても０度方向の光を取り込める。つまり、面光源１０２の放射角分布の半値幅が小さいと、面光源１０２からの光の取込効率が上がり、図３における「面光源からの光の取込効率」のグラフは左にシフトする。よって、ロッドインテグレータ１０３の入射面の大きさを面光源１０２の大きさよりも小さくすることで、全系の照明効率が最大になりやすい。したがって、面光源１０２の放射角分布の半値幅は１００度以下であることが望ましい。

第１設計例では、空間光変調器１０６の面積は、面光源１０２の面積の７．８倍である。空間光変調器１０６と面光源１０２との面積比が小さいと、エタンデュ保存則より、空間光変調器１０６に入射する光の立体角が大きくなり、投影レンズによる光の取込効率が下がるため、図３における「投影レンズの取込効率」のグラフは左にシフトする。そのため、ロッドインテグレータ１０３の入射面の大きさを面光源１０２の大きさよりも小さくすることで、全系の照明効率が最大になりやすい。したがって、空間光変調器１０６の面積は、面光源１０２の面積の１０倍以下であることが望ましい。

第１設計例では、ロッドインテグレータ１０３の入射面の面積は面光源１０２の面積の８１％であるが、図３から分かるように、ロッドインテグレータ１０３の入射面の面積が小さくなり過ぎると面光源からの光の取込効率が低く、全系の照明効率が低下する。そのため、ロッドインテグレータ１０３の入射面の面積は、面光源１０２の面積の１／２以上であることが望ましい。

第１設計例では、面光源１０２とロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１との間隔は１ｍｍであり、ロッドインテグレータ１０３は、面光源１０２の中心から５０度以上の角度で出射する光を取込むことができる。面光源１０２とロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１との間隔が小さいと、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさが小さくても面光源１０２からの光を多く取り込める。よって、面光源１０２とロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１との間隔が小さくなると、図３における「面光源からの取込効率」のグラフは左にシフトする。そのため、ロッドインテグレータ１０３の入射面の大きさを面光源１０２の大きさよりも小さくすることで、全系の照明効率が最大になりやすい。したがって、面光源１０２とロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１との間隔の空気換算距離は、ロッドインテグレータ１０３の短辺の１／２以下であることが望ましい。

ロッドインテグレータ１０３は、中実の構造を有してもよいし、中空構造を有してもよい。ロッドインテグレータ１０３は、図５に例示されるように、その側面に反射膜１０９が設けられていてもよい。ロッドインテグレータ１０３の側面に反射膜１０９が設けられていない場合、ロッドインテグレータ１０３とそれを保持する保持部材とが接触している部分において光が全反射せず、損失が生じうる。反射膜１０９を設けて、反射膜１０９が存在する部分で保持部材がロッドインテグレータ１０３を保持する場合、このような損失を低減することができる。

図５に例示されるように、ロッドインテグレータ１０３の側面の全体に反射膜１０９が設けられていない場合、即ち、ロッドインテグレータ１０３の側面が、反射膜１０９が設けられた第１部分と、反射膜が設けられていない第２部分とを含む場合がある。この場合、図６（ａ）に例示されるような保持部材１１０を採用し、図６（ｂ）に例示されるように、第１部分および第２部分のうち第１部分において保持部材１１０によってロッドインテグレータ１０３を保持することが望ましい。

ロッドインテグレータ１０３の出射面１０３２のアスペクト比（長辺の長さ：短辺の長さ）は、空間光変調器１０６のアスペクト比と同じであることが望ましい。これにより、リレーレンズ１０４をアナモルフィックレンズにする必要がないため、照明系１５０の製作コストを低減することができる。ロッドインテグレータ１０３の出射面１０３２のアスペクト比および空間光変調器１０６のアスペクト比は、例えば４：３でありうる。

空間光変調器１０６は、透過型もしくは反射型の液晶表示デバイスであってもよい。この場合、ＴＩＲプリズムの代わりにＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）を用いて、ＰＢＳによって液晶表示デバイスに入射する光と液晶表示デバイスから出射する光との分離を行うことができる。

図７には、本発明の第２実施形態のプロジェクター２００の概略構成が示されている。第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態は、第１実施形態をカラーのプロジェクターに適用したものである。

プロジェクター２００は、第１面光源１０２ａ−１０２ｃと、空間光変調器１０６と、第２面光源２１９としての、第１面光源１０２ａ−１０２ｃの像、からの光を受けて空間光変調器１０６を照明する照明系１５０とを備えうる。プロジェクター２００はまた、空間光変調器１０６からの光による像を形成する投影レンズ１０７を備えうる。

第１面光源１０２ａ−１０２ｃは、例えば、ＬＥＤなどの発光素子１０１ａ−１０１ｃの発光領域でありうる。第１面光源１０２ａは青色（Ｂ）の面光源、面光源１０２ｂは緑色（Ｇ）の面光源、面光源１０２ｃは赤色（Ｒ）の面光源である。第１面光源１０２ａ−１０２ｃの形状は、例えば矩形である。青色の面光源１０２ａからの光は、レンズ２０７によって集光され、緑色の面光源１０２ｂからの光はレンズ２０８によって集光され、赤色の面光源１０２ｃからの光はレンズ２０９によって集光される。ダイクロイックミラー２１０は、青色の面光源１０２ａからの光を透過し、緑色の面光源１０２ｂからの光を反射する。ダイクロイックミラー２１１は、ダイクロイックミラー２１０からの光を透過し、赤色の面光源１０２ｃからの光を反射する。レンズ２１２は、ダイクロイックミラー２１１からの光を集光して、第２面光源２１９として、第１面光源１０２ａ−１０２ｃの像（発光素子１０１ａ−１０１ｃの発光領域の像）を形成する。

空間光変調器１０６は、例えば、ＤＭＤなどのデバイスでありうる。照明系１５０は、ロッドインテグレータ１０３と、折り曲げミラー２１４と、リレーレンズ１０４とを含みうる。ロッドインテグレータ１０３は、入射面１０３１および出射面１０３２を有する直方体形状の光学部材でありうる。あるいは、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１は、矩形でありうる。ロッドインテグレータ１０３は、入射面１０３１が面光源１０２に対向するように配置されている。ロッドインテグレータ１０３は、面光源１０２から放射された光を入射面１０３１で受けて、その光をロッドインテグレータ１０３の側面で複数回にわって反射させることによって、出射面１０３２に均一化された照度分布を形成する。

プロジェクター２００は、ＴＩＲプリズム１０５を備えてもよい。ＴＩＲプリズム１０５は、２つの三角柱プリズムを微小な空気間隔を有した状態で接着して構成されるプリズムであり、リレーレンズ１０４からの光を透過させ、空間光変調器１０６で反射した光を２つの三角柱プリズムの境界面で反射させる。

第２実施形態における１つの設計例である第２設計例では、第１面光源１０２ａ−１０２ｃの大きさは６×４．５ｍｍである。また、レンズ２０７、２１２によって形成される第２面光源２１９としての、第１面光源１０２ａ−１０２ｃの像の大きさは４．８×３．６ｍｍである。また、ロッドインテグレータ１０３は直方体形状を有し、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさは４×３ｍｍであり、ロッドインテグレータ１０３の長さ（入射面１０３１と出射面１０３２との距離）は２５ｍｍである。また、空間光変調器１０６としてのＤＭＤの大きさは１１．２×８．４ｍｍであり、投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーは２．２である。

ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさは、レンズ２０７、２１２によって形成される第２面光源２１９としての、第１面光源１０２ａ−１０２ｃの像である第１面光源２１９、の大きさよりも小さい。よって、第２面光源２１９とロッドインテグレータ１０３とが光軸と垂直な方向に関してずれたとしても、ロッドインテグレータ１０３の入射面が第２面光源２１９の大きさの範囲内であれば、ロッドインテグレータ１０３による光の取込量の減少は小さい。したがって、光軸ＡＸに垂直な方向に関して、面光源１０２ａ−１０２ｃ、レンズ２０７、２１２、ダイクロイックミラー２１０、２１２およびロッドインテグレータ１０３の間に要求される位置合わせ精度が低くなる。これにより、例えば、面光源１０２ａ−１０２ｃ、レンズ２０７、２１２、ダイクロイックミラー２１０、２１２およびロッドインテグレータ１０３の保持部材を高精度で加工しなくてよいため、コストを下げることができる。また、故障等により面光源１０２を交換する際に要求される面光源１０２の取り付け精度が低いため、交換が容易となる。

第２設計例では、投影レンズ１０７の物体側のＦナンバーは２．２、面光源１０２ａ−１０２ｃの放射角分布の半値幅は８０度（±４０度）、空間光変調器１０６としてのＤＭＤの大きさは第２面光源２１９の大きさの５．４倍である。また、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさは第２面光源２１９の大きさの６９％、第２面光源２１９とロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１との間隔は０．８ｍｍである。ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさを第２面光源２１９の大きさよりも小さくすることで、全系の照明効率が最大になりやすい。そこで、ロッドインテグレータ１０３の入射面１０３１の大きさを第２面光源２１９の大きさよりも小さくすることで、投影レンズ１０７による光の取込効率を増加させ全系の照明効率を高くしている。

第２実施形態では、ロッドインテグレータ１０３と投影レンズ１０７との間の光路に配置された折り曲げミラー２１４により、ロッドインテグレータ１０３の光軸と投影レンズ１０７の光軸とが平行にされている。これによって、第２面光源２１９、ロッドインテグレータ１０３、投影レンズ１０７の位置関係が簡単になり、これらを収容する筐体の設計および製作が容易となり製作コストを削減することができる。第２実施形態では、ロッドインテグレータ１０３の光軸と投影レンズ１０７の光軸とを平行にしたが、これらが直交するように折り曲げミラー２１４を配置してもよい。

Claims (8)

1. 面光源と、空間光変調器と、前記面光源からの光を受けて前記空間光変調器を照明する照明系と、前記空間光変調器からの光による像を形成する投影レンズとを有するプロジェクターであって、
   前記面光源は、発光素子の発光領域または前記発光領域の像であり、前記照明系は、ロッドインテグレータを含み、前記ロッドインテグレータは、その入射面が前記面光源に直接に面するように配置され、前記ロッドインテグレータの入射面の大きさは、前記面光源の大きさより小さく、
   前記ロッドインテグレータの入射面は矩形であり、
   前記面光源と前記入射面との間の空気換算距離が前記入射面の短辺の１／２以下である、
   ことを特徴とするプロジェクター。
2. 前記空間光変調器の面積は、前記面光源の面積の１０倍以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
3. 前記投影レンズの物体側のＦナンバーが２．０以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクター。
4. 前記面光源の放射角分布の半値幅が１００度以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプロジェクター。
5. 前記ロッドインテグレータによる前記面光源からの光の取込効率と前記投影レンズによる前記ロッドインテグレータからの光の取込効率との積である照明効率が、前記ロッドインテグレータの前記入射面の大きさが前記面光源の大きさと同じである場合よりも増加するように、前記ロッドインテグレータの前記入射面の大きさが決定されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプロジェクター。
6. 前記ロッドインテグレータの入射面の面積は、前記面光源の面積の７０％以上かつ９０％以下である、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプロジェクター。
7. 前記ロッドインテグレータの側面は、反射膜が設けられた第１部分と、反射膜が設けられていない第２部分とを含み、前記ロッドインテグレータは、前記第１部分および前記第２部分のうち前記第１部分において保持部材によって保持されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプロジェクター。
8. 前記ロッドインテグレータと前記投影レンズとの間の光路に配置された折り曲げミラーを更に備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプロジェクター。