JP2004151651A - 照明装置、プロジェクタ及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光学系を有効に利用することで、明るい投写像を得ることができる照明装置等を提供すること。
【解決手段】光を供給する光源部１０１と、光源部１０１からの光を空間光変調装置１０３へ導く照明光学系１０２と、照明光学系１０２の近傍に配置されて、空間光変調装置１０３によって変調された光を投写する投写レンズ１０４と、を有し、照明光学系１０２は、投写レンズ１０４の外周部分１０４ａの形状と略一致する形状の切欠き部１０２ａを有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置、プロジェクタ及び光学装置に関するものであって、特に、光源部として固体発光素子を用いるものに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクタは、コンピュータ等の画像供給装置から供給された画像信号に応じて画像を表す光（投写光）を投写することにより、画像を表示する画像表示装置である。特に光源部には、明るく高輝度な光を供給できるものとしてハロゲンランプや超高圧水銀ランプ等の大型で重い駆動回路を必要とする光源を用いていた（たとえば、特許文献１参照。）。
また、光源部からの光は、光変調装置によって画像を形成されることが知られている。この光変調装置とは、各画素に照射された照明光の出射方向を画像情報に応じて制御することにより、光を変調して画像を形成する装置のことを言う。この光変調装置としては、ディジタルマイクロミラーデバイス（テキサスインスツルメンツ社の登録商標。以後、「ＤＭＤ」という。）等が挙げられる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１８６７８３号公報
【特許文献２】
米国特許Ｎｏ，５，８６７，２０２号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
プロジェクタの光源部としては、古くはハロゲンランプ、近年は超高圧水銀ランプが主として用いられている。近年、光源部の主流となっている超高圧水銀ランプは、明るく高輝度な光を供給できる。しかし、超高圧水銀ランプは、大型で重い駆動回路を必要とする。このため、プロジェクタ本体の小型化、軽量化の妨げとなる。
【０００５】
また、固体発光素子は超小型、超軽量である。固体発光素子の発光効率は著しく進歩してきているため、固体発光素子はプロジェクタの光源部として好適な素子である。固体発光素子からの光を空間光変調装置へ効率良く導くために、照明光学系が用いられる。照明光学系は、光軸に関して回転対称な光学系である。照明光学系と固体発光素子とで照明装置を構成する。
【０００６】
空間光変調装置としては、ティルトミラーデバイスや液晶ライトバルブ等が用いられている。ティルトミラーデバイスは、複数の微小反射ミラーを有する。微小反射ミラーは、画像信号に応じて入射光を投写する方向（ＯＮ）と廃棄する方向（ＯＦＦ）との２つの方向へ反射させる。このため、ティルトミラーデバイスへ入射する光の入射角度は所定の範囲内であることが望ましい。さらに、液晶ライトバルブは、入射光の偏光状態を画像信号に応じて変調して射出する。光の偏光状態を制御する場合、光学素子への入射角特性が大きく依存する。このため、ティルトミラーデバイスと同様に、液晶ライトバルブへ入射する光の入射角度は所定の範囲内であることが望ましい。従って、照明光学系と空間光変調装置との位置関係は略決まってしまう。しかしながら、プロジェクタ全体として小型化を図る場合、投写レンズの鏡筒と照明光学系とが干渉してしまうことが多い。
【０００７】
図９（ａ）は、投写レンズ１０００の鏡筒１００１と照明光学系１００２とが干渉する様子を説明する図である。上述のように不図示の空間光変調装置との関係で照明光学系１００２の位置が略決まる。そして、殆どの場合、投写レンズ１０００と照明光学系１００２とが近接する。このため、図９（ａ）において照明光学系１００２のうち斜線で示す部分が鏡筒１００１と干渉してしまう。
【０００８】
図９（ｂ）は、上述の干渉を回避するような口径を有する照明光学系１００３を用いた場合の構成を示す図である。図９（ｂ）に示す構成の場合、鏡筒１００１との干渉は回避できる。しかし、図９（ｂ）において、斜線を付して示す部分は、光源部から光が供給されているにも関わらず、照明光学系１００３を透過できない。このため、投写される光量が低下するので問題である。
【０００９】
図９（ｃ）は、照明光学系１００２が複数のレンズ素子１００４からなる場合の構成を示す図である。複数のレンズ素子１００４は、光源部が有する複数の固体発光素子に各々対応している。レンズ素子１００４は円形形状である。このため、レンズ素子１００４を同一平面上に配列した場合、斜線を付して示す隙間領域１００５が形成されてしまう。レンズ素子１００４をより多く配列できれば、レンズ素子１００４に対応する固体発光素子の数も増やすことができるため、明るい照明光を得ることができる。しかし、隙間領域１００５の分だけ、照明光学系１００２のレンズ素子１００４を配列するスペースの損失を生ずる。このため、より多くのレンズ素子１００４を配列して、対応する固体発光素子の数を増やすことが困難であるため問題である。
【００１０】
また、複数の固体発光素子（図９（ｃ）では７個の固体発光素子）から供給される光は、対応するレンズ素子１００４に入射する。このとき、各固体発光素子からの光は、円形のレンズ素子１００４に加えて、図９（ｃ）において斜線を付した隙間領域１００５にも入射する。斜線を付した隙間領域１００５にはレンズ素子１００４が存在しない。このため、斜線を付した隙間領域１００５に入射した光は、空間光変調装置の方向へ有効に導かれることがない。このため、複数の固体発光素子からの光を効率良く用いることが困難であり問題である。
【００１１】
これから詳述する第１から第３の本発明は上記問題に鑑みてなされたものである。第１の本発明は、照明光学系を有効に利用することで、明るい照明光を得ることができる照明装置を提供することを目的とする。第２の本発明は、複数の固体発光素子を光源とする場合、照明光学系の入射瞳へ、より多くの固体発光素子からの光を隙間なく導くことで、明るい照明光を得ることができる照明装置を提供することを目的とする。第３の発明は、複数の固体発光素子を光源とする場合、この固体発光素子からの光を効率良く照明光学系へ導くことで、明るい照明光を得ることができる照明装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、第１の本発明によれば、光を供給する光源部と、前記光源部からの光を空間光変調装置へ導く照明光学系と、前記照明光学系の近傍に配置されて、前記空間光変調装置によって変調された光を投写する投写レンズと、を有し、前記照明光学系は、前記空間光変調装置からの光を投写する投写レンズの外周部分の形状と略一致する形状の切欠き部を有することを特徴とする照明装置を提供できる。これにより、照明光学系を有効に利用することで、明るい照明光を得ることができる。
【００１３】
また、第２の本発明によれば、光を供給する複数の固体発光素子を有する光源部と、前記光源部からの光を空間光変調装置へ導く照明光学系とを有し、前記照明光学系は、前記複数の固体発光素子に対応して略同一平面上に配列された複数のレンズ素子からなり、前記レンズ素子は、稠密に配列できる多角形形状を有することを特徴とする照明装置を提供できる。これにより、複数の固体発光素子を光源とする場合、照明光学系の入射瞳へ、より多くの固体発光素子からの光を隙間なく導くことができる。この結果、光源部を構成する固体発光素子の数を増やすことができる。従って、明るい照明光を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記レンズ素子の多角形形状は６角形形状であることが望ましい。これにより、レンズ素子をさらに効率良く同一平面上に配列できる。
【００１５】
また、第３の本発明によれば、光を供給する複数の固体発光素子を有する光源部と、前記光源部からの光を空間光変調装置へ導く照明光学系とを有し、前記照明光学系は、前記複数の固体発光素子に対応して略同一平面上に配列された複数のレンズ素子からなり、前記固体発光素子は、供給する光を対応する前記レンズ素子の方向へ反射させるための反射部を有することを特徴とする照明装置を提供できる。これにより、固体発光素子からの光を効率良く照明光学系の対応するレンズ素子へ導くことで、明るい照明光を得ることができる。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記反射部は、前記照明光学系側に凹面を向けた曲率を有する反射ミラーであることが望ましい。これにより、さらに効率的に固体発光素子からの光を対応するレンズ素子へ導くことができる。
また、本発明の好ましい態様によれば、第２又は第３の発明において、前記照明光学系は、前記投写レンズの外周部分の形状と略一致する形状の切欠き部を有することが望ましい。これにより、さらに効率的に光源部からの光を有効に使用することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、上述の照明装置と、前記照明装置からの光を画像信号に応じて変調して射出する空間光変調装置と、前記変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。これにより、明るい投写像を得ることができる。
また、本発明によれば、上述の照明装置を有することを特徴とする光学装置を提供できる。これにより、明るい光学像を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る照明装置を有するプロジェクタ１００の概略構成を示す図である。光源部１０１は、空間光変調装置１０３に向けて光を射出するが、光源部１０１からの光は、先ず照明光学系１０２に入射する。照明光学系１０２は、１枚のレンズからなり、投写レンズ１０４の光入射側の開口部近傍に配置され、光源部１０１からの光を空間光変調装置１０３へ効率良く導く機能を有する。照明光学系１０２は、この照明光学系１０２の投写レンズ１０４側に切欠き部１０２ａを有する。なお、照明光学系１０２についての詳細は後述する。光源部１０１と照明光学系１０２とで照明装置を構成する。空間光変調装置１０３は、入射した光を画像信号に応じて変調して、射出する。なお、空間光変調装置１０３としてはティルトミラーデバイスを用いることができる。従来のティルトミラーデバイスの例の一つは、ＤＭＤである。空間光変調装置１０３で変調された光は投写レンズ１０４の光入射側の開口部に入射する。投写レンズ１０４は、空間光変調装置１０３で変調された光をスクリーン１０５へ投写する。
【００１９】
次に、照明装置の照明光学系１０２について説明する。図２は、照明光学系１０２と投写レンズ１０４とを空間光変調装置１０３側から見た図である。光源部１０１からの光は照明光学系１０２に向けて射出される。照明光学系１０２は、投写レンズ１０４の近傍に配置されることから、投写レンズ１０４と干渉しあう。この干渉を回避するために照明光学系１０２の大きさを縮小することが講じられるが、照明光学系１０２の大きさを縮小させると、照明光学系１０２を透過できない光が存在することになる。そこで、照明光学系１０２に、投写レンズ１０４の外周部分１０４ａの形状と略一致する形状の切欠き部１０２ａを形成させたことで、照明光学系１０２と投写レンズ１０４との干渉を避けることができる。照明光学系１０２の有効径を減少させることがないので、光源部１０１からの光を有効に空間光変調装置１０３へ導くことができる。この結果、光源部１０１からの光の利用効率が向上し、スクリーン１０５上で明るい投写像を得られる。
【００２０】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る照明装置を有するプロジェクタ３００の概略構成を示す図である。本実施形態は光源部３０１と照明光学系３０２とが上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同一の部分には同様の符号を付し、重複する説明は省略する。光源部３０１は、光を供給する複数の固体発光素子３０１ａをアレイ状に配列し、各固体発光素子の光出射口が照明光学系３０２方向に向けられている。なお、固体発光素子は、小スペース、フレーム中の他の色表示の時は消燈できるため省電力という効果を有している。固体発光素子３０１ａとして発光ダイオード素子（ＬＥＤ）、半導体レーザやエレクトロルミネセンス（ＥＬ）を用いることができる。
【００２１】
また、照明光学系３０２は、複数の固体発光素子３０１ａに対応して略同一平面Ｍ上に複数のレンズ素子３０２ａをアレイ状に配列したものからなる。光源部３０１と照明光学系３０２とで照明装置を構成する。レンズ素子３０２ａは、稠密に配列できる多角形形状を有する。これにより、レンズ素子とレンズ素子の間の隙間が減少する。よって、複数のＬＥＤなどを固体発光素子３０１ａとする場合、照明光学系３０２の入射瞳へ固体発光素子３０１ａからの光を隙間なく導くことができる。この結果、光源部３０１を構成する固体発光素子３０１ａの数を増やすことができる。従って、より多くの光源を利用できることから明るい照明光による明るい投写像を得ることができる。さらに好ましくは、レンズ素子３０２ａの多角形形状は、図４に示すような６角形形状であることが望ましい。これにより、レンズ素子３０２ａをさらに効率良く同一平面Ｍ上に稠密に配列できるので、さらに多くの固体発光素子３０１ａを用いることができる。
【００２２】
また、本実施形態では、以下の構成によりフルカラー像を得られる。例えば、固体発光素子３０１ａは、赤色光（以下、「Ｒ光」という）用と、緑色光（以下、「Ｇ光」という）用と、青色光（以下、「Ｂ光」という）用との複数のＬＥＤからなる。映像の１フレーム間で、Ｒ光用、Ｇ光用、Ｂ光用のＬＥＤを順次点灯させて空間光変調装置１０３を照明する。Ｒ光とＧ光とＢ光とを順次投写して、全体として白色の投写画像を得るためには、Ｇ光の光束量を全体の光束量に対して６０％から８０％程度にする必要がある。このため、Ｒ光用、Ｂ光用、及びＧ光用の各ＬＥＤを同数量ずつ配列した場合は、Ｇ光用のＬＥＤの点灯時間を、Ｒ光用、Ｂ光用のＬＥＤの点灯時間よりも長くすることが望ましい。そして、観察者は、肉眼でＲ光とＧ光とＢ光とを積分した状態で認識できる。これにより、スクリーン１０５上にフルカラー像を投写する。
さらに、Ｇ光用ＬＥＤを、Ｒ光用ＬＥＤやＢ光用ＬＥＤよりも多く配置する場合、Ｇ光用ＬＥＤの点灯時間は、他のＬＥＤの点灯時間と同程度又はそれ以下に短くすることもできる。
【００２３】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係るプロジェクタ５００の概略構成を示す図である。本実施形態は光源部５０１と照明光学系５０２とが上記第１実施形態と異なる。上記第１実施形態と同一の部分には同様の符号を付し、重複する説明は省略する。光源部５０１は、空間光変調装置１０３に光を供給する複数の固体発光素子５０１ａを有する。光源部５０１と照明光学系５０２とで照明装置を構成する。
【００２４】
図６は、光源部５０１と照明光学系５０２と概略の構成を示す図である。光源部５０１は、光を供給する複数の固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ（不図示）を有する。固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ（不図示）として固体発光素子であるＬＥＤを用いる。光源部５０１の構成の詳細について、固体発光素子５０１ａを例に説明する。固体発光素子５０１ａは、チップ５０４とレンズ５０５と反射部５０３とを有する。また、照明光学系５０２は、複数の固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ（不図示）に対応して略同一平面Ｍ上に配列された複数のレンズ素子５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ（不図示）からなる。
【００２５】
固体発光素子５０１ａの反射部５０３は、チップ５０４が供給する光を対応するレンズ素子５０２ａの方向へ反射させる。チップ５０４自体からはあらゆる方向へ光が供給される。例えば、固体発光素子５０１ａからの光線Ｌは、反射部５０３でレンズ素子５０２ａの方向へ反射される。これにより、固体発光素子５０１ａからの光は略全てレンズ素子５０２ａへ入射する。同様に、固体発光素子５０１ｂからの光は略全てレンズ素子５０２ｂへ入射する。これにより、１つの固体発光素子に対応したレンズ素子が設けられ、光がそのレンズ素子に入射することになるので、対応したレンズ素子以外に入射することがない。よって、照明光学系内での混色が発生することがなく空間光変調装置に光を入射させることができる。また、レンズ素子の形状等が原因でレンズ素子とレンズ素子の間に隙間が生じても、その隙間に光が入射してしまうことがない。また、反射部５０３は、照明光学系５０２側に凹面を向けた曲率を有する反射ミラーであることが望ましい。これにより、さらに効率的に固体発光素子からの光を対応するレンズ素子へ導くことができる。この結果、明るい照明光により明るい投写像を得ることができる。
【００２６】
図７は、空間光変調装置１０３側からみた光源部５０１の正面図である。光源部５０１は、３つの固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃとからなる。３つの固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃは三角形状に配列されている。図６は、図７におけるＡ−Ａ’断面をＢ方向から見た図に相当する。図７において、３つの固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃに囲まれた領域５０５は、その斜面が固体発光素子の光を反射すことが望ましい。これにより、３つの固体発光素子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃからの光を、効率良く照明光学系５０２の対応するレンズ素子５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ（不図示）へ反射させて導くことができる。つまり、固体発光素子に対応するレンズ素子以外に光が入射することがないので、空間光変調装置に入射する光の混色を抑えることができる。この結果、明るい投写像を得ることができる。
【００２７】
また、上記第２実施形態及び第３実施形態において、照明光学系３０２、５０２にあるように複数のレンズ素子がアレイ状に配列された照明光学系の外周部は円形形状を有している。しかしこれに限られず、上記第１実施形態で述べたように、投写レンズ１０４の外周部分の形状と略一致するように複数のレンズ素子がアレイ状に配列された照明光学系の形状に切欠き形状を構成してもよい。これにより、さらに効率良く光源部３０１、５０１からの光を空間光変調装置１０３へ導くことができる。
【００２８】
（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係る光学装置の例であるプリンタ７００の概略構成を示す図である。上記各実施形態で説明した照明装置７０１からの光は、反射型のティルトミラーデバイス７０２に入射する。ティルトミラーデバイス７０２は、不図示の制御部からの信号に基づいて、光のＯＮ又はＯＦＦにより感光ドラム７０３上に光を反射させる。感光ドラム７０３の表面は、予め帯電ロール７０４の負電荷により均一な負の静電気を帯びている。そして、光が照射された感光ドラム７０３上の部分（画像に相当する部分）だけ負の電荷が弱まる。これにより、感光ドラム７０３上に静電潜像（プリントイメージ）が形成される。次に、負に帯電されたトナーは、感光ドラム７０３上の負の電荷が弱い部分に引きつけられて、感光ドラム７０３上にトナー像を形成する。感光ドラム７０３に密着した用紙Ｐの裏側から転写ロール７０５により正の電荷が与えられる。これにより、トナーは用紙Ｐに転写される。そして、用紙Ｐから正の電荷が奪われると用紙Ｐが感光ドラム７０３から剥離する。用紙Ｐの転写されたトナーは、定着部であるヒートロール７０６の熱で溶ける。同時に、プレッシャーロール７０７で圧力を受けて用紙Ｐに定着される。感光ドラム７０３表面に残った残留トナーは、クリーニングブレード７０８により掃き落とされる。そして、感光ドラム７０３は帯電ロール７０４により、電気的に均一に負に帯電される。この一連の手順を繰り返して用紙Ｐに印字することができる。これにより、照明光を効率良く感光ドラム７０３に照射できる。この結果、Ｓ／Ｎ比が高くノイズの少ない印字を行うことができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの概略構成を示す図。
【図２】上記第１実施形態の照明光学系の概略構成を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態に係るプロジェクタの概略構成を示す図。
【図４】上記第２実施形態の照明光学系の概略構成を示す図。
【図５】本発明の第３実施形態に係るプロジェクタの概略構成を示す図。
【図６】上記第３実施形態の照明装置の概略構成を示す図。
【図７】上記第３実施形態の光源部の概略構成を示す図。
【図８】本発明の第４実施形態のプリンタの概略構成を示す図。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は照明光学系の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１００ プロジェクタ、１０１ 光源部、１０２ 照明光学系、１０３ 空間光変調装置、１０４ 投写レンズ、１０５ スクリーン、１０２ａ 切欠き部、１０４ａ 外周部、３００ プロジェクタ、３０１ 光源部、３０１ａ 発光素子、３０１ｂ 発光素子、３０２ 照明光学系、３０２ａ レンズ素子、３０２ｂレンズ素子、５０１ 光源部、５０２ 照明光学系、５０１ａ 発光素子、５０１ｂ 発光素子、５０１ｃ 発光素子、５０２ａ レンズ素子、５０２ｂ レンズ素子、５０３ 反射部、５０４ チップ、５０５ レンズ、５０５ 領域、７００ プリンタ、７０１ 照明装置、７０２ ティルトミラーデバイス、７０３ 感光ドラム、７０４ 帯電ロール、７０５ 転写ロール、７０６ ヒートロール、７０７ プレッシャーロール、７０８ クリーニングブレード、Ｐ 用紙、１０００ 投写レンズ、１００１ 鏡筒、１００２ 照明光学系、１００３ 照明光学系、１００４ レンズ素子

Claims (8)

1. 光を供給する光源部と、
   前記光源部からの光を空間光変調装置へ導く照明光学系と、
   前記照明光学系の近傍に配置されて、前記空間光変調装置によって変調された光を投写する投写レンズと、を有し、
   前記照明光学系は、前記投写レンズの外周部分の形状と略一致する形状の切欠き部を有することを特徴とする照明装置。
2. 光を供給する複数の固体発光素子を有する光源部と、
   前記光源部からの光を空間光変調装置へ導く照明光学系とを有し、
   前記照明光学系は、前記複数の固体発光素子に対応して略同一平面上に配列された複数のレンズ素子からなり、
   前記レンズ素子は、稠密に配列できる多角形形状を有することを特徴とする照明装置。
3. 前記レンズ素子の外形形状は６角形形状であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 光を供給する複数の固体発光素子を有する光源部と、
   前記光源部からの光を空間光変調装置へ導く照明光学系と、
   前記照明光学系は、前記複数の固体発光素子に対応して略同一平面上に配列された複数のレンズ素子からなり、
   前記固体発光素子は、供給する光を対応する前記レンズ素子の方向へ反射させるための反射部を有することを特徴とする照明装置。
5. 前記反射部は、前記照明光学系側に凹面を向けた曲率を有する反射ミラーであることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記照明光学系は、前記投写レンズの外周部分の形状と略一致する形状の切欠き部を有することを特徴とする請求項２又は４に記載の照明装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの光を画像信号に応じて変調して射出する空間光変調装置と、
   前記変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置を有することを特徴とする光学装置。

Images