JP4063782B2 - 照明光学系及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は拡大投射型ディスプレイとしてのプロジェクタの照明光学系に関し、
特に照明領域の大きさを変化させることを可能にした照明光学系及び投射型表示装置に関するものである。

近年、ＤＬＰ（デジタル・ライト・プロセシング）プロジェクタの明るさの発展は急速に進んでいる。照明効率を向上させる技術のひとつとしてライトトンネル及びロッドレンズが使用されてきた。ライトトンネル及びロッドレンズは、通常丸い射出面を有する反射鏡の照明範囲を画像表示面と相似形の照明範囲に変換すること、かつその万華鏡効果を用いて照明範囲の照度分布の均一化することにより、照明効率の向上を実現してきた。しかし、実際には、照明範囲の大きさを画像表示の実寸法より大きくして、その出射開口のサイズ公差やリレーレンズ傾き等による画像表示部の照明範囲の位置ずれをある程度許容してきた。よって、画像表示部からはみ出た光は損失光となってしまい、照明効率の低下を招いていた。また、投写型のプロジェクタにおいて投射映像の変調に使用される変調デバイスとしてのＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）やＬＣＤ（液晶）のサイズも、小型化や照明光の有効利用などのユーザ要求の多様化により、より多くのデバイスサイズに適応した光学系が必要とされてきている。

このような照明光学系として特許文献１に記載の技術のアフォーカル光学系を利用することが考えられる。このアフォーカル光学系は、光軸上で第１レンズの後側焦点と第２レンズの前側焦点とを一致させた構成であり、平行光束がこれらのレンズを通った後再び平行光束となる光学系である。そのため、第１レンズ及び第２レンズを適宜に組み合わせれば、アフォーカル光学系に入力される任意の光束の照明光をＤＭＤやＬＣＤに対応させた光束の照明光として出力することができ、照明効率を向上することが可能である。
特開２０００−１２１９９８号公報

しかし特許文献１に記載の技術では、第１レンズ及び第２レンズを任意の焦点距離のレンズに設定しているが、例えば変調デバイスとしてＤＭＤが異なるサイズのものが用いられるような場合には、異なるサイズのＤＭＤに対して適切な照明範囲が設定できなくなる。あるいはＤＭＤの全画面に対応して照明を行っている場合に、ＤＭＤの中心の近傍領域のみを利用して表示を行ってときには表示しない領域を照明する照明光が無駄になり照明効率が悪くなる。このような場合には表示を行っている中心の近傍領域に対してのみ照明を集中させるようにすれば照明効率を更に改善することが可能になるが、特許文献１の技術ではこのような要望を満たすことは困難である。

本発明の目的は、異なるサイズの変調デバイスを照明する場合、あるいは変調デバイスの一部領域に対してのみ照明するような場合にそれぞれ高い照明効率での照明を可能にした照明光学系及び投射型表示装置を提供するものである。

本発明の照明光学系は、光源から出射される光束を対象デバイスに照射して照明を行うための照明光学系であって、照明光学系は光軸上に配置された第１光学ユニット及び第２光学ユニットとを備えるアフォーカル光学系として構成され、第１光学ユニットの焦点距離を変化させて対象デバイスにおける照明領域の大きさを変化させることを特徴とする。例えば、第１光学ユニットは複数の光学素子で構成され、これら複数の光学素子を光軸方向に位置変化させて第１光学ユニットの焦点距離を変化させる構成とする。

また、本発明の照明光学系においては、照明領域を変化させる際における照明光学系の光学系の全長の差をΔＳ、第１光学ユニットの焦点距離をｆ１、第２光学ユニットの焦点距離をｆ２、当該照明光学系の倍率をｍとしたとき、−１≦ｍ（＝−ｆ１／ｆ２）≦−０．２を満たすことが好ましい。また、本発明においては、第１光学ユニット、第２光学ユニットの各光学素子が光軸上からズレた、及び傾いた３次元空間配置を取ることが好ましい。

一方、本発明の投射型表示装置は、光源から出射される光束を画像表示デバイスに照射して照明を行うための照明光学系と、画像表示デバイスで反射した光あるいは透過した光をスクリーンに画像投射する投射光学系とを備え、照明光学系は光の進行方向に沿って配置された少なくとも第１光学ユニット及び第２光学ユニットとを備えるアフォーカル光学系として構成され、第１光学ユニットの焦点距離を変化させて前記対象デバイスにおける照明領域の大きさを変化させることを特徴とする。

本発明によれば、第１光学ユニットの光学素子を光の進行方向に移動させて焦点距離を変化させるだけで、多様なデバイスサイズに適応した照明光学系を得る事ができる。また、第１光学ユニットの光学素子を光の進行方向に沿う軸上で調整することで照明領域のズレによって生じる影を調整でき、照明効率を向上することができる。アフォーカル光学系の構成でキーストーン歪や光路折り曲げによる歪の発生を抑制し、デバイスサイズの変化に対応した照射領域が容易に得る事ができ、かつインテグレータ素子の出射面の輝度分布をほぼ同一のまま高いレベルでの矩形照射領域を形成でき、デバイスサイズに依存せずに光利用効率を向上させることができる。さらに、連続的に照射領域を変更させる照明光学系として構成することで、一つの照明光学系で汎用的な利用が可能になる。

以上説明したように本発明の照明光学系、あるいは投射型表示装置では、アフォーカル光学系を構成している第１光学ユニット及び第２光学ユニットのうち、第１光学ユニットの光学素子を光の進行方向に移動させて焦点距離を変化させるように構成したので、簡単な構成で、多様なデバイスサイズに適応した照明光学系を得る事ができる。また、第１光学ユニットの光学素子を光の進行方向の軸上で調整することで照明領域のズレによって生じる影を調整でき、照明効率を向上することができる。アフォーカル光学系の構成でキーストーン歪や光路折り曲げによる歪の発生を抑制し、デバイスサイズの変化に対応した照射領域が容易に得る事ができ、かつインテグレータ素子の出射面の輝度分布をほぼ同一のまま高いレベルでの矩形照射領域を形成でき、デバイスサイズに依存せずに光利用効率を向上させることができる。さらに、連続的に照射領域を変更させる照明光学系として構成することで、一つの光学系、デバイスサイズに因らずプロジェクタ等を製造できることになる。

次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の概念構成図であり、本発明の照明光学系をプロジェクタに適用した実施形態を示している。ランプからなる光源１１より出射された光束は、集光ミラー１２により反射され、光学フィルタ、ここではカラーホイール１３を通した後に仮想的な２次光源を作る。カラーホイール１３は円周方向にＲ，Ｇ，Ｂ（赤，緑，青）の各フィルタが配列され、カラーホイールの回転によって光束をＲ，Ｇ，Ｂの各色光に時分割して出射させるものである。カラーホイール１３を透過した光束は、２次光源位置に入射面を配置したインテグレータ１４に入射される。インテグレータ１４は例えばライトトンネルやロッドレンズで構成される。ライトトンネルは中空の四角柱形状をしており、内壁が反射面となっている光学素子、またロッドレンズは硝子の四角柱形状光学素子であり、どちらも素子内部で数回光の反射を繰り返すことによって照度面での輝度ムラ低減を行える素子である。インテグレータの出射面から出射された光束はアフォーカル光学系１５に入射する。アフォーカル光学系とは、平行光束がこのレンズ系を通った後再び平行光束となる光学系であり、詳細は後述する。そして、アフォーカル光学系１５を出射した平行な光束はプリズム１６によって全反射され、変調デバイス、すなわち画像表示デバイス１７を照明する。この画像表示デバイスとしてここではＤＭＤ１７を用いており、ＤＭＤ１７で変調された反射光は図には表れない投射レンズにより図外のスクリーンに投射される。

前記アフォーカル光学系１５は、第１光学ユニット２１と第２光学ユニット２２とで構成される。なお、この実施形態では第１光学ユニット２１は２枚のレンズＬ１，Ｌ２で構成されており、第２光学ユニット２２は１枚のレンズＬ３で構成されている。ここで第１光学ユニット２１の２枚のレンズＬ１，Ｌ２は平凸レンズで構成することが好ましい。また、第２光学ユニット２２のレンズＬ３もここでは平凸レンズで構成している。また第１光学ユニット２１と第２光学ユニット２２との間に光束の方向を変更するための反射鏡２３が配置されているが、この反射鏡２３は基本的にはアフォーカル光学系１５の必要構成要素ではない。図２はアフォーカル光学系１５の基本構成を示す図であり、第１光学ユニット２１の焦点距離をｆ１、第２光学ユニット２２の焦点距離をｆ２とし、第１光学ユニット２１と第２光学ユニット２２の主点間の距離をＤとしたとき、
Ｄ＝ｆ１＋ｆ２
となる光学系をいう。すなわち、第１光学ユニット２１の後側焦点と第２光学ユニット２２の前側焦点とを光軸上で一致させた構成である。この構成をとることで、入射側の物体面（インテグレータの出射端）のサイズと、出射側の像面（ＤＭＤの照明）のサイズの倍率をｍとすると、
ｍ＝−ｆ１／ｆ２
で決められる。

また、第１光学ユニット２１の物体面側焦点位置と物体面との差をＺ１とすると、インテグレータ１４の出射端から照明領域までの光軸に沿ったアフォーカル光学系１５の全長Ｓは、
Ｓ＝ｆ１＋Ｄ＋ｆ２−Ｚ１×（１＋１／ｍ²）
で求められる。

よって、アフォーカル光学系１５では、第２光学ユニット２２の焦点距離ｆ２を固定し、第１光学ユニット２１の焦点距離ｆ１を可変すれば照明領域のサイズ変更ができる。さらに、照明領域のサイズを変更しても、光学系の全長Ｓは不変である。具体的には、本実施形態では第１光学ユニット２１は光軸方向の間隔ｄ１で配置された２枚のレンズＬ１，Ｌ２で構成されているので、図３（ａ），（ｂ）に示すように、これら２枚のレンズＬ１，Ｌ２の少なくとも一つを移動させて両レンズＬ１，Ｌ２の間隔をｄ１’に変化させることで第１光学ユニット２１の焦点距離をｆ１からｆ１’に変化させ、アフォーカル光学系１５の全長Ｓを変えることなく、その倍率を変化させてＤＭＤ１に対する照明領域の大きさを変化させることができる。もっとも、第１光学ユニット２１の焦点距離をｆ１からｆ１’に変化させると、第１光学ユニット２１の後側焦点と第２光学ユニット２２の前側焦点とが光軸上で完全に一致はしなくなる。しかし、像面での球面収差の許容範囲分まではズレを許容できる。かかる観点からは、
−１≦ｍ≦−０．２
の条件が満たされる範囲内で第１光学ユニット２１の焦点距離を変化させることが望ましい。

何れにしても、本発明の照明光学系では、第１光学ユニット２１のレンズＬ１，Ｌ２を移動させるという簡単な方法によって、インテグレータの出射端とＤＭＤの照明領域との結像関係を維持したまま、照明領域を変更することが可能である。さらに、照明領域を変更してもインテグレータの出射端から照明領域までの光軸に沿った光学系の全長Ｓは変化しないので、プロジェクタの設計を変更する必要は生じない。

前記実施形態における光学系の構成を図４の表に示す。なお、図４における曲率半径Ｒ、面間隔Ｄについては図５に対応する箇所を示しており、光学系はインテグレータの出射面の中心点を原初期原点として、第１光学ユニット（２枚のレンズ）、反射鏡、第２光学ユニット、プリズム、ＤＭＤ（照明領域）について面番号順に相対的に次の原点を座標変換で表してある。座標系は右手座標系であり、Ｘ軸及びＺ軸の＋，−は図１内の座標系を表す矢印に従う。ｙ軸に関しては紙面に対して垂直方向上側が＋となる。図４の下に光学系の全長Ｓと倍率ｍが前式の範囲内であることが確認されている。

このように、第１の実施形態においては、アフォーカル光学系１５を構成している第１光学ユニット２１及び第２光学ユニット２２のうち、第１光学ユニット２１の光学素子（レンズＬ１，Ｌ２）を光軸方向に移動させて焦点距離を変化させるように構成したので、簡単な構成で、多様なデバイスサイズに適応した照明光学系を得る事ができる。また、第１光学ユニット２１の光学素子（レンズＬ１，Ｌ２）を軸方向に調整することで照明領域のズレによって生じる影を調整でき、照明効率を向上することができる。さらに、連続的に照射領域を変更させる照明光学系として構成することで、一つの光学系、デバイスサイズに因らない照明装置が得られることになる。

図６は本発明の第２の実施形態の概念構成図、図７は平面方向から見た概念構成図であり、第１の実施形態と等価な部分には同一符号を付してある。この実施形態では、第１光学ユニット２１と第２光学ユニット２２の各素子（レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３）が、インテグレータ１４の出射面の中心を通る光軸の延長線上からズレ、かつ光の進行方向に対して傾いた３次元空間配置を取った構成としたものである。なお、第２光学ユニット２２のレンズＬ３は、ここでは両凸レンズで構成してある。すなわち、アフォーカル光学系１５を構成する第１光学ユニットの２枚のレンズＬ１，Ｌ２のうち、レンズＬ１は光軸に対して上下方向にシフトしており、レンズＬ２は光の進行方向に対して上下左右にシフトし、さらに回転偏芯をした構成である。また、第２光学ユニット２２のレンズＬ３は投射レンズ１８の光の進行方向と平行でＤＭＤ１７の光軸、すなわち中心点の法線からシフトし回転偏芯した構成である。なお、反射鏡２３が無い場合はＤＭＤ１７から見て、各レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３の相互の相対的位置を確保したままＤＭＤ１より斜め下方向に配置される。

この第２の実施形態においても、第１光学ユニット２１の２枚のレンズＬ１，
Ｌ２を光軸方向に移動変化させることでＤＭＤ１７における照明領域を変更できる。この実施形態での光学系の構成を図８の表に示す。アフォーカル光学系はインテグレータ１４の出射面の中心点を原初期原点として、第１光学ユニット（２枚のレンズ）２１、反射鏡２３、第２光学ユニット２２、ＤＭＤ（照明領域）１７について面番号順に相対的に次の原点を座標変換で表してある。座標系は右手座標系であり、Ｚ軸の＋，−は図１の場合と同様である。図８の下に光学系の全長Ｓと倍率ｍが前式の範囲内であることが確認されている。

本発明の第２の実施形態では、アフォーカル光学系の光学素子を光の進行方向に対してずらしたら偏心させることで、キーストーン歪や光路折り曲げによる歪の発生を抑制し、デバイスサイズの変化に対応した照射領域が容易に得る事ができ、かつインテグレータ素子の出射面の輝度分布をほぼ同一のまま高いレベルでの矩形照射領域を形成でき、デバイスサイズに依存せずに光利用効率を向上させることができる。

ここで、本発明においては、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、
少なくとも１つを曲面を持つ反射光学素子で構成してもよい。また、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも１つを非球面光学素子で構成してもよい。さらに、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも１つをプラスチック光学素子で構成してもよい。

また、前記実施形態では、カラーホイールを備えるプロジェクタの例であるが、本発明においてカラーホイールが必須でないことは言うまでもない。また、変調デバイスとしての画像形成素子はＤＭＤに限られるものではなく、反射型あるいは透過型のＬＣＤで構成されるものであることも言うまでもない。

本発明をプロジェクタに適用した照明光学系の第１の実施形態の概念構成図である。 アフォーカル光学系を説明するための図である。 第１光学ユニットの焦点距離の変化を説明するための図である。 第１の実施形態における光学系の各部の構成値と全長と倍率の範囲を示す図である。 図４における各部を示す図である。 本発明の第２の実施形態の概念構成図である。 第２の実施形態の平面方向から見た概念構成図である。 第２の実施形態における光学系の各部の構成値と全長と倍率の範囲を示す図である。

符号の説明

１１ 光源
１２ 集光ミラー
１３ フィルタ（カラーホイール）
１４ インテグレータ
１５ アフォーカル光学系
１６ プリズム
１７ 画像表示デバイス（ＤＭＤ）
１８ 投射レンズ
２１ 第１光学ユニット
２２ 第２光学ユニット
２３ 反射鏡
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ レンズ

Claims (4)

1. 光源から出射され、インテグレータによって輝度ムラが低減された光束を対象デバイスに斜めから照射して照明を行うための照明光学系であって、前記照明光学系は光の進行方向に沿って配置された少なくとも第１光学ユニット及び第２光学ユニットを備えるアフォーカル光学系として構成され、
   前記第１光学ユニットは、前記インテグレータの出射面の中心を通る光軸上からズレた、及び傾いた３次元空間配置を取る複数の光学素子で構成され、
   前記第１光学ユニットを構成している前記光学素子を前記光軸方向に移動させて前記第１光学ユニットの焦点距離を変化させることによって、前記対象デバイスにおける照明領域の大きさを変化させることを特徴とする照明光学系。
2. 前記照明領域を変化させる際における前記照明光学系の光学系の全長の差をΔＳ、前記第１光学ユニットの焦点距離をｆ１、前記第２光学ユニットの焦点距離をｆ２、当該照明光学系の倍率をｍとしたとき、−１≦ｍ（＝−ｆ１／ｆ２）≦−０．２を満たすことを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記第２光学ユニットを構成する光学素子が前記光軸上からズレた、及び傾いた３次元空間配置を取ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明光学系。
4. 光源から出射され、インテグレータによって輝度ムラが低減された光束を画像表示デバイスに斜めから照射して照明を行うための照明光学系と、前記画像表示デバイスで反射した光あるいは透過した光をスクリーンに画像投射する投射光学系とを備え、
   前記照明光学系は光の進行方向に沿って配置された少なくとも第１光学ユニット及び第２光学ユニットを備えるアフォーカル光学系として構成され、
   前記第１光学ユニットは、前記インテグレータの出射面の中心を通る光軸上からズレた、及び傾いた３次元空間配置を取る複数の光学素子で構成され、
   前記第１光学ユニットを構成している前記光学素子を前記光軸方向に移動させて前記第１光学ユニットの焦点距離を変化させることによって、前記対象デバイスにおける照明領域の大きさを変化させることを特徴とする投射型表示装置。

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