JP2005266151A

JP2005266151A - 反射型光学系

Info

Publication number: JP2005266151A
Application number: JP2004076947A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Inamoto; 雅之稲本
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29
Also published as: US7274522B2; US20050207038A1

Abstract

【課題】複数の反射面の配置精度を保持し、配置調整を不要にした反射型光学系を提供する。
【解決手段】反射型光学系１０は、１個の中実のガラス２３からなり、入射面２３ａ、面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、出射面２３ｅ及び溝２３ｆ、２３ｇが一体に成形されている。溝２３ｆ、２３ｇには黒色の塗料が塗布されている。第１〜第３反射面２４〜２６は、面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄにアルミニウムを蒸着することにより形成される。入射面２３ａから入射した画像光１１は、第１反射面２４、第２反射面２５、第３反射面２６の順で反射する。そして、第３反射面２６で反射した画像光１１が出射面２３ｅからスクリーン１２に向けて出射する。スクリーン１２上には拡大化した画像が映し出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射された照明光を反射型の光学素子を用いて変調し、拡大投影するミラープロジェクタや投写型テレビ装置等の投影光学系として用いられる反射型光学系に関する。

レンズを主にして構成された投影光学系を備えたプロジェクタをスクリーンの近くに置いて広角投影を行う場合には、多数のレンズを並べなければならなかった。そのため、プロジェクタが大型化してしまうといった問題があった。また、レンズの口径、曲率および重量が問題となり、近距離での広角投影を行うには限界があった。近年においては、近距離での広角投影を図るためにプロジェクタの投影光学系として、例えば特許文献１に示すように、複数の反射鏡を用いて液晶素子や、デジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」と称する）などの画像表示素子からの光束を順次反射させて拡大投影する反射型光学系が提案されている。反射型光学系を用いることにより、光路の折りたたみができ、近距離での広角投影が可能となる。さらにプロジェクタを小型化させることも可能となる。また、簡単な構成で高い解像度を得ることができる。

特開２００２−４０３２６号公報特開２００３−２９１４９号公報特開２００２−５５３０６号公報

しかしながら、複数の反射鏡を用いて広角投影を行う場合、反射鏡の相対的な配置精度を保つことが難しくなる。例えば、特許文献２に示すような光学系では、収差を補正するために６枚もの反射鏡が配置されている。さらに、小型化を図りつつ、広角化を図ろうとすると、部品精度を高め、反射鏡を非常に高精度に配置し、且つその精度を維持したまま固定しなければならなくなり、製造効率の低下とコストの増大を招いてしまう。また、特許文献３では、筺体に反射鏡を取り付けて光学系を構成しているが、各反射鏡の配置誤差の積み重なりによる歪み等の収差を生じないようにするために、反射鏡の取り付け精度を保持して筺体に取り付けたり、あるいは組み付け後にも個々の反射鏡における微調整などを行わなければならないといった問題が発生する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、複数の反射鏡の位置精度を高精度に保持し、且つ複数の反射鏡の組み付け作業や配置調整を不要にした反射型光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の反射型光学系は、入射面と、正または負のパワーを有するとともに、前記入射面から入射した画像光を順次に反射する少なくとも２つの反射面と、これらの反射面で反射された画像光を出射する出射面とが一体に形成された中実の透明体からなることを特徴とする。

また、前記反射面の少なくとも１つが非球面であることが好ましい。

また、前記入射面または出射面の少なくともいずれかがレンズ面であっても良い。

また、対向し合う２つの反射面相互間に入り込むように透明体の表面に溝を形成し、この溝によって不要光の通過を遮るようにすることが好ましい。

また、前記溝を形成する壁面に黒色の塗装を施すことが好ましい。

本発明の反射型光学系は、入射面と、正または負のパワーを有するとともに、前記入射面から入射した画像光を順次に反射する少なくとも２つの反射面と、これらの反射面で反射された画像光を出射する出射面とが一体に形成された中実の透明体からなるので、反射型光学系全体の小型化を図りつつ、各反射面の位置精度を高精度に保持することができる。また、部品点数や製造工数の削減、さらには各反射面おける相互間の配置調整が不要となるため、結果的に製造効率が高まりコストの低廉化に寄与することができる。また、反射面にホコリ、汚れ、キズなどが付く虞がないため、光学性能を損なわせずにその性能を一定に維持することができる。

また、反射面の少なくとも１つを非球面にしたので、高精度に収差の補正を図ることができる。

また、入射面または出射面の少なくともいずれかをレンズ面としたので、広角化と収差の補正をより効率的に図ることができる。

また、対向し合う２つの反射面相互間に入り込むように透明体の表面に溝を形成し、この溝によって画像光の通過を遮るようにしたので、画像光に含まれる無用な光を除去することができる。さらに、溝を形成する壁面に黒色の塗装を施したので、迷光が吸収され、透明体における光の散乱を防止することができる。したがって、画像劣化を防止することができる。

図１に示すように、プロジェクタ２は、上部に開口３ａが形成された箱形の筺体３内に、マイクロコンピュータ４を備えた制御部５と、光源部６、照明光学系７、全反射プリズム８、ＤＭＤ９、反射型光学系１０を備えた光学系とが組み込まれており、照明光学系７から出力される照明光を光変調することにより画像情報を有する光束である画像光１１を生成し、生成された画像光１１をスクリーン１２に拡大投影させるものである。

光源部６は、光源１３と、この光源１３が放射する照明光を照明光学系７に向けて反射するリフレクタ１４とからなる。光源１３としては、例えば、キセノン管や水銀灯などの白色光源が使用される。照明光学系７は、コンデンサレンズ１５、カラーホイール１６、ロッドインテグレータ１７、リレーレンズ１８、１９などからなる。

カラーホイール１６は、光源部６から放射されコンデンサレンズ１５によって集光された照明光束をＢ、Ｇ、Ｒの３色に時分割で分離する。カラーホイール１６は、略円板形状の基板に、Ｂ光のみを透過するＢフイルタ、Ｇ光のみを透過するＧフイルタ、Ｒ光のみを透過するＲフイルタの３色のフイルタを基板の回転中心からほぼ等距離に配置したものである。カラーホイール１６は、カラーホイール駆動部２０によって駆動され、その回転開始のタイミングや回転速度は、マイクロコンピュータ４によって制御される。カラーホイール１６が回転することにより、各色のフイルタが選択的に光路内に順次に挿入される。これにより、照明光がＢ、Ｇ、Ｒの３色に時分割で色分離され、分離された各色の光が順次ＤＭＤ９に向けて照射される。

ロッドインテグレータ１７は、カラーホイール１６で分離された各色の光束の密度を均一化することにより、ＤＭＤ９の受光面の光強度分布を、その中心から周辺部まで均一にする。ロッドインテグレータ１７は、例えば、ガラス製のロッド内部に万華鏡を形成したものである。ロッドインテグレータ１７に入射した光束は、その内部で全反射を繰り返して重畳される。これにより、ロッドインテグレータ１７から出射される光束は、その密度が均一化される。

リレーレンズ１８、１９は、ロッドインテグレータ１７から出射した光束を全反射プリズム８に中継する。全反射プリズム８は、リレーレンズ１８、１９からＤＭＤ９へ入射する入射光と、ＤＭＤ９で反射する反射光とを分離するためのものである。全反射プリズム８は、例えば、異なる屈折率を持つ２つの三角プリズムから構成されており、それら２つの三角プリズムの境界に反射面８ａが形成される。入射光は、入射角が臨界角よりも大きいため、反射面８ａで全反射してＤＭＤ９へ入射する。他方、ＤＭＤ９で反射した反射光は、その入射角が臨界角よりも小さいため、反射面８ａを透過する。

ＤＭＤ９は、映像信号受信部２１に入力された映像信号に基づいて、マイクロコンピュータ４に接続されたＤＭＤ駆動部２２によって駆動される。ＤＭＤ９は、受光面に画素に対応する多数のミラー素子がマトリックス状に配列されている。各ミラー素子は、前記映像信号に基づいて、角度を変化させることにより、受光した照明光の反射方向を変化させる。例えば、画素を明るく表示させる場合には、ミラー素子をオン位置に変位させて受光した光をＯＮ光として反射型光学系１０に向けて反射させる。他方、画素を暗く表示する場合には、ミラー素子をオフ位置に変位させて受光した光をＯＦＦ光として反射型光学系１０から外れた方向に向けて反射させる。画像光１１は、反射型光学系１０に向かうＯＮ光の集合により構成される。

反射型光学系１０は、画像光１１をスクリーン１２上に拡大投影する光学系であり、１個の中実のガラス（透明体）２３からなる。このガラス２３は断面が略「く」字形状の多角形体に成形された成形品であり、入射面２３ａ、第１〜第３反射面２４〜２６を形成する面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、出射面２３ｅ及び溝２３ｆ、２３ｇが一体に成形されている。

断面が略「く」字形状に屈曲形成されたガラス２３は、屈曲部２７を境に上部２８と下部２９とに大別することができる。ガラス２３の下部２９の表面には、画像光１１を入射させる入射面２３ａと、面２３ｂ、２３ｃが形成されている。入射面２３ａは垂直な平面に形成されている。面２３ｂは、入射面２３ａの裏側にて、凹状に湾曲した非球面形状に形成されている。面２３ｃは、入射面２３ａの上方にて、凸状に湾曲した非球面形状に形成されている。

ガラス２３の上部２８の表面には、面２３ｄと、画像光１１をスクリーン１２に向けて出射させる出射面２３ｅとが形成されている。出射面２３ｅは傾斜した平面に形成されている。面２３ｄは、出射面２３ｅの裏側にて、凹状に湾曲した非球面形状に形成されている。屈曲部２７の表面には、面２３ｃと面２３ｄとの間に入り込むように、２つの溝２３ｆ、２３ｇがそれぞれ「Ｖ」字形状に形成されており、これらの溝２３ｆ、２３ｇには黒色の塗料が塗布されている。

第１〜第３反射面２４〜２６は、入射面２３ａから入射された画像光１１を出射面２３ｅに向かって順次に反射させるものである。第１〜第３反射面２４〜２６のそれぞれは、面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに反射材であるアルミニウムを蒸着することにより形成される。面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、アルミニウムを蒸着して第１〜第３反射面２４〜２６が形成された際に、第１〜第３反射面２４〜２６が入射面２３ａから入射された画像光１１を出射面２３ｅに向かって順次に反射させることができるような形状に形成されている。すなわち、入射面２３ａから入射された画像光１１が第１反射面２４で反射され、第１反射面２４で反射された画像光１１が第２反射面２５に向けて反射され、第２反射面２５で反射された画像光１１が第３反射面２６で反射され、第３反射面２６で反射された画像光１１が出射面２３ｅからスクリーン１２に向けて出射されるように面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは形成されている。

このようにして構成された反射型光学系１０は、出射面２３ｅが筺体３の上部に形成された開口３ａから露呈されるように筺体３に組み付けられている。

以下、上記構成による作用について説明する。プロジェクタ２に組み込まれる反射型光学系１０を製作する場合、まず、入射面２３ａ、非球面形状の面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、出射面２３ｅ、及び溝２３ｆ、２３ｇが形成されたガラス２３を成形する。成形後、溝２３ｆ、２３ｇに黒色の塗料を塗布し、さらに、面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄにアルミニウムを蒸着することにより、ガラス２３に非球面形状の第１〜第３反射面２４〜２６を形成して反射型光学系１０を完成させる。

プロジェクタ２を組み立てる場合、筺体３に制御部５と、反射型光学系１０以外の光学系とを組み込む。そして、反射型光学系１０を筺体３に組み込む。このとき、入射面２３ａと出射面２３ｅとの位置決めを行うことにより、第１〜第３反射面２４〜２６の位置決めも自動的に行われる。すなわち、入射面２３ａを画像光１１の入射が可能となる位置に配置し、且つ出射面２３ｅを筺体３の開口３ａから露呈させる位置に配置することにより、第１〜第３反射面２４〜２６は、入射面２３ａから入射される画像光１１を出射面２３ｅに向けて順次に反射させることができるような位置に配置される。このように、入射面２３ａと出射面２３ｅとの位置決めを行うだけで全ての反射面の配置が決定するので、従来のように、複数の反射面を個々に配置する必要がなくなる。

このようにしてプロジェクタ２に組み込まれた反射型光学系１０では、入射面２３ａから入射した画像光１１が、第１反射面２４、第２反射面２５、第３反射面２６の順で反射する。そして、第３反射面２６で反射した画像光１１が出射面２３ｅからスクリーン１２に向けて出射する。スクリーン１２上には拡大化した画像が映し出される。

ところで、第２反射面２５で反射した画像光１１は溝２３ｆと溝２３ｇとの間を経由して第３反射面２６に送られるが、溝２３ｆ、２３ｇにより画像光１１に含まれる無用な光や乱反射などで生じた無用な光が除去される。これにより画像劣化が防止される。

以上のように、反射型光学系１０を入射面２３ａ、第１〜第３反射面２４〜２６、出射面２３ｅ、及び溝２３ｆ、２３ｇが一体に形成されたガラス２３の成形品とすることで、第１〜第３反射面２４〜２６の相対位置関係や、反射面間の間隔が保持された状態で第１〜第３反射面２４〜２６を筺体３に取り付けることができるので、従来のように、複数の反射鏡を高精度に設置する作業が不要となり、それらの反射鏡を設置した後の位置調整も不要となる。

また、第１〜第３反射面２４〜２６の相対位置関係や、反射面間の間隔は、面２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを成形する成形金型の精度のみで決まるため、個々の反射面における設置精度のわずかな狂いが積み重なって生じる収差を防止することができる。さらに、第１〜第３反射面２４〜２６を非球面形状にしたので、各反射面において収差が確実に補正され、これにより、スクリーン１２に安定した高解像度の画像を映し出すことが可能となる。

上記実施形態では、入射面２３ａと出射面２３ｅとを平面に形成したが、入射面２３ａと出射面２３ｅとの両方、あるいはいずれか一方をレンズ面としても良い。これにより、スクリーン１２に映し出す画像の高解像度化、拡大化をより一層効率的に行うことができる。

上記実施形態では、２つの溝２３ｆ、２３ｇを設けたが、溝は１つであっても良く、画像光１１に含まれる無用な光の除去を有効に行うことができれば、溝の数はいくつであっても良い。また、溝を第１反射面２４と第２反射面２５との間に形成しても良く、設置箇所は適宜に変更可能である。

上記実施形態では、反射型光学系１０をガラス２３による成形品としたが、これに限ることなく、透明プラスチックであっても良い。

上記実施形態では、第１〜第３反射面２４〜２６の３つの反射面をガラス２３に形成したが、反射面は２つ以上形成されていれば良く、ガラスに形成される反射面の数は適宜変更可能である。

次に、別の実施形態について図２を参照しながら説明する。上述した反射型光学系１０と同様に、反射型光学系３０は、画像光１１をスクリーン１２上に拡大投影する光学系である。反射型光学系３０は、画像光１１を入射させる入射面３３ａと、第２、３反射面２５、２６と同様の構成をした反射面３１、３２、溝３３ｂ、３３ｃ及び出射面３３ｄが一体に形成されたガラス３３からなる。ガラス３３は、多角形体に成形された成形品であり、中実となっている。入射面３３ａはガラス３３の下部に形成されている。このように構成された反射型光学系３０が筺体３に形成された開口３ａ（図１参照）から出射面３３ｄが露呈するように、筺体３に組み込まれている。

反射型光学系３０の下方には、画像光１１を反射型光学系３０の入射面３３ａに向けて反射させる反射鏡３４が設けられている。反射鏡３４は画像光１１に対して水平方向（図中矢印方向）に移動可能に筺体３に組み付けられている。

反射鏡３４で反射された画像光１１は、反射型光学系３０の入射面３３ａから反射型光学系３０の内部に入射される。入射面３３ａから入射した画像光１１は、反射面３１、反射面３２の順に反射され、出射面３３ｄからスクリーン１２（図１参照）に向けて出射される。反射鏡３４を画像光１１に対して水平方向に移動させることにより、ズーム及びフォーカス調整を行うことができる。また、反射鏡３４を固定し、反射型光学系３０を移動させても同様の効果を得ることできる。

本発明に係る反射型光学系が組み込まれたプロジェクタの構成を示す概略断面図である。別の形態の反射型光学系の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

２プロジェクタ
５制御部
６光源部
７照明光学系
９ＤＭＤ
１０、３０反射型光学系
１１画像光
１２スクリーン
２３ガラス（透明体）
２３ａ、３３ａ入射面
２３ｅ、３３ｄ出射面
２３ｆ、２３ｇ、３３ｂ、３３ｃ溝
２４〜２６第１〜３反射面
３１、３２反射面

Claims

入射面と、正または負のパワーを有するとともに、前記入射面から入射した画像光を順次に反射する少なくとも２つの反射面と、これらの反射面で反射された画像光を出射する出射面とが一体に形成された中実の透明体からなることを特徴とする反射型光学系。
前記反射面の少なくとも１つが非球面であることを特徴とする請求項１記載の反射型光学系。
前記入射面または出射面の少なくともいずれかがレンズ面であることを特徴とする請求項１または２記載の反射型光学系。
対向し合う２つの反射面相互間に入り込むように透明体の表面に溝を形成し、この溝によって画像光の通過を遮るようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の反射型光学系。
前記溝を形成する壁面に黒色の塗装を施したことを特徴とする請求項４記載の反射型光学系。