JP2006267457A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを使うことなく、複数光源からの光を同一光路上に合成し得る低コストの照明光学系を提供する。
【解決手段】三色光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒから射出された光を合成し同一の光路上に合成光として射出するブレズド回折格子１０を備え、三色光源のうちの緑色光源１Ｇから射出される光が直進して回折格子１０を透過しその法線と略平行に射出されると共に、他の青・赤色光源１Ｂ、１Ｒから射出される光が回折格子１０によって進路を変更されることによって、前記直進する１つの光の光路と同一の光路を進行するように、光源及び回折格子を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に投影型表示装置に使用するのに適した照明光学系に関し、特に投影型表示装置のマイクロディスプレイ素子が２色以上の切り換えで使用される場合に好適な照明光学系に関する。

マルチメディア時代の到来により、投影型表示装置（プロジェクタ）として、ビジネスプレゼンテーション用途やリアプロジェクションテレビ用途のものが現れてきている。

従来、プロジェクタ用の照明光学系では、クロスダイクロイックプリズム、ダイクロイックミラーを用いた三原色光結合方法が採用されている（例えば、特許文献１、２参照）。

図１０を用いて従来例を説明する。図１０において、１Ｂ、１Ｇ、１Ｒは、それぞれ青・緑・赤（ＢＧＲ）の各色の光源である。この光源からの発散光を、各光学系２Ｂ、２Ｇ、２Ｒで略コリメート光、あるいは目的に応じては偏光変換等の処理をして、それぞれマイクロディスプレイパネル３Ｂ、３Ｇ、３Ｒに入射し、その後、各光をクロスダイクロイックプリズム４に入射させる。

クロスダイクロイックプリズム４内では、Ｂ（青）の光は、ブルー色反射ダイクロイックコート４Ｂで反射される。同じくＲ（赤）の光は、レッド色反射ダイクロイックミラー４Ｒで反射される。Ｇ（緑）の光は、コート４Ｂ、４Ｇには影響されず透過する。その結果、図１０に示すように、各マイクロディスプレイパネル３で情報付加されたＲＧＢの各光が同一位置上に合成される。この合成以降は、各色による個別の配置は取らずに、単一の投影レンズ系５により投影処理される。

同様にダイクロイックミラーを用いた従来例を図１１に示す。図において、１Ｂ、１Ｇ、１Ｒは、図１０と同様の各色光源である。２Ｂ、２Ｇ、２Ｒは、図１０と同様の光学系である。６Ｂはブルーのダイクロイックミラー、６Ｒはレッドのダイクロイックミラーである。この構成において、Ｂの光はブルーのダイクロイックミラー６Ｂで反射される。またＲの光は、レッドのダイクロイックミラー６Ｒで反射される。Ｇの光は、ダイクロイックミラー６Ｂ、６Ｒによる影響を受けずに透過する。その結果、マイクロディスプレイパネル３にＢＧＲの合成光が照射される。従って、マイクロディスプレイパネル３への画像情報と、光源１（１Ｂ、１Ｇ、１Ｒ）の各色毎の情報の同期をとれば、投影レンズ系５により投影処理された像は、人間の目にはカラー画像として認識される。

また、これらの技術とは別に、ブレーズド回折格子（ダンマン回折格子とも言う）と呼ばれる回折格子が知られている（非特許文献１参照）

特開２００３−１８６１１０号公報 特開２００１−４２４３１号公報 Applied Optics Vol.17,No.15,P2273-2279 Color Separation Grating

ところで、上記従来のクロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いた照明光学系は、それらの光学部品それ自体が高価なものであるために、系全体が高価になりがちであった。そこで、コストダウンのために、クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラー等の高価な部品の点数を減らして、光の合成を簡単に行いたいという要望がある。

しかしながら、図１２に示すように、同一光路を構成せずに単一の投影レンズ５を使用した場合、スクリーン８上で各色画像が合成されず、投影機としての機能をしない。そこで、図１３に示すように、３個の投影レンズ５Ｂ、５Ｇ、５Ｒを使用してスクリーン８上に像を結ぶようにした場合、投影機としての機能は果たすが、３個の投影レンズ５Ｂ、５Ｇ、５Ｒが必要である上に、この光学系で生じるキーストン歪を、マイクロディスプレイパネル３Ｂ、３Ｇ、３Ｒの画像情報上で補正する必要があり、結果的にコスト高になる問題があった。そのために、実際には、クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを使用した照明光学系が、依然として用いられているのが現状である。なお、図１２、１３において、７Ｂ、７Ｇ、７Ｒで示すのはリレー光学系である。

本発明は、クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを使うことなく、複数光源からの光を同一光路上に合成することができ、それにより単一の投影レンズ系で投影像を形成することのできるコストダウンが可能な照明光学系、並びに、白色光源から射出された光を赤色、緑色、青色に時分割して射出することのできる照明光学系を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、複数の光源から射出された光を合成し同一の光路上に合成光として射出する光結合器を備えた照明光学系において、前記複数の光源のうちの１つの光源から射出される光が直進して前記光結合器を透過し前記光結合器の法線と略平行に前記光結合器から射出されると共に、他の光源から射出される光が前記光結合器によって進路を変更されることによって前記直進する１つの光の光路と同一の光路を進行するように、前記複数の光源及び前記光結合器が配置されていること特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記光結合器として回折格子が設けられ、前記回折格子の入射面側に、該回折格子の法線上に位置させて前記複数の光源のうちの１つが配置されると共に、他の光源が前記回折格子の法線上と異なる軸線上に配置されており、前記回折格子の法線上に配置された光源から射出された光が、回折格子を直進して透過し、他の光源から射出された光が、回折格子によって進路を変更されることによって、前記直進する光の光路と同一の光路を進行するように、前記複数の光源及び前記回折格子が配置されていること特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２において、前記回折格子として、ブレーズド回折格子が使用されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記複数の光源が、互いに異なる波長の光を発するＬＥＤよりなることを特徴とする。

請求項５の発明は、白色光源から射出された光を赤色、緑色、青色に時分割して射出する照明光学系において、前記白色光源から射出された光を、直進して透過する色成分と、進路を変更させられて透過する色成分とに分離する第１の回折格子と、前記第１の回折格子により色分離された光を各々透過するか遮蔽するか制御するスイッチ素子と、前記第１の回折格子を直進透過した色成分の光を更に直進透過させると共に、他の色成分の光を、前記直進透過した色成分と同一光路上に射出する第２の回折格子とを具備し、前記スイッチ素子が前記第１の回折格子と第２の回折格子との間にあり、前記白色光源、第１の回折格子、第２の回折格子が一直線上に配置されていることを特徴とする。

請求項１〜４の発明によれば、クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラー等の高価な光学部品を使用することなく、回折格子を用いることによって、複数光源からの光を同一光路上に合成することができ、それにより単一の投影レンズ系でカラー投影像を形成することができる。

また、請求項５の発明によれば、クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラー等の高価な光学部品を使用することなく、回折格子を用いることによって、白色光源から射出された光を赤色、緑色、青色に時分割して射出することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
各実施形態の説明に入る前に、まず、原理的な説明を行う。ここで説明する照明光学系は、空間配置された三色の各光源からの光あるいは三色に空間分離された光を、１枚の回折格子で同一光路へ結合し、マイクロディスプレイパネルを照射するものであり、特徴的な点は、ブレーズド回折格子（ダンマン回折格子ともいう。非特許文献１参照）を使用することにある。ここでは、光の分離の方が説明が容易であるので、光の色分解について説明する。光は可逆性をもつので、光の方向を真逆に考えると分解の説明となり、両者は同一のものである。

図５にブレーズド回折格子１０を示す。ここでは簡略化ために３レベルのものを示す。
ブレーズド回折格子１０の幾何的なステップｄ１、ｄ２は、波長λ_１のときの位相差（ψ１、ψ２）に対して次式のように関連している。
ψ１（λ_１）＝２π（ｎ−１）ｄ_１／λ_１ ・・・（１）
ψ２（λ_１）＝２π（ｎ−１）ｄ_２／λ_１ ・・・（２）
ここで、ｎは屈折率である。簡略化のために屈折率の分散はないとする。

他の波長λ_２、λ_３についての各ステップでの位相は次のようになる。
ψ１（λ_２）＝ψ１（λ_１）λ_１／λ_２ ・・・（３）
ψ２（λ_２）＝ψ２（λ_１）λ_１／λ_２ ・・・（４）
ψ１（λ_３）＝ψ１（λ_１）λ_１／λ_３ ・・・（５）
ψ２（λ_３）＝ψ２（λ_１）λ_１／λ_３ ・・・（６）

ここで、可視光域の波長を３分割するために、次の仮定を置く。
λ_１（＝λ_ｂ）は青色、λ_２（＝λｒ）は赤色、λ_３（＝λｇ）は緑色とし、
λ_１／λ_２＝λｂ／λｒ＝５／７ ・・・（７）
λ_１／λ_３＝λｂ／λｇ＝６／７ ・・・（８）

具体的には、以下の波長である。
λｇ＝５２５ｎｍ
λｂ＝４５０ｎｍ
λｒ＝６３０ｎｍ

回折格子の位相ステップを、青色の位相で次のように表現できるように作る。
ψ１（λｂ）＝１／３＊２π＋４π ・・・（９）
ψ２（λｂ）＝２／３＊２π＋８π ・・・（１０）
これを他の色（緑と赤）の位相で表現すると、位相ステップは次のようになる。

まず、緑は、
ψ１（λｇ）＝ψ１（λｂ）＊６／７＝２π→０π ・・・（１１）
ψ２（λｇ）＝ψ２（λｂ）＊６／７＝４π→０π ・・・（１２）
となる。この場合、両者とも２πの整数倍であるので、位相差は無いのと同じになる。

次に、赤は、
ψ１（λｒ）＝ψ１（λｂ）＊５／７
＝２／３＊２π＋２π→２／３＊２π ・・・（１３）
ψ２（λｒ）＝ψ２（λｂ）＊５／７
＝１／３＊２π＋６π→１／３＊２π ・・・（１４）
となる。

これらの関係を図６に示す。このような巧妙な機能を持つ回折格子により、緑色に対しては０次の回折効率が高くなる。また、青色に対しては−１次の回折効率が高くなる。同様に、赤色に対しては、＋１次の回折効率が高くなる。この回折効率と波長の関係を図７に示す。

本発明の目的に対応させて説明すれば、緑色付近の０次回折光（回折格子によって影響を受けない光）は、ブレーズド回折格子を通過する。また、赤の光が１次回折する角度は、
SIN（Θrout）＝λｒ／Ｐ−SIN（Θin） ・・・（１５）
となる。ここで、Ｐは回折格子のピッチ、Θinは入射角、Θroutは赤色の出射角である。

同じく、青の光の出射角度は
SIN（Θbout）＝−λｂ／Ｐ−SIN（Θin） ・・・（１６）
となる。ここで、Θboutは青色の出射角である。

これから分かるように、緑色を挟んで青色と赤色は反対方向に回折される。つまり色ごとに空間分離が可能であり、０次回折光は緑光領域の回折効率が大きく、回折しない。＋１次回折光は赤光領域の回折効率が大きく、出射角は式（１５）に準ずる。−１次光は青光領域の回折効率が大きく、出射角は式（１６）に準ずる。ブレーズド回折格子１０による光の分離の関係を図８に分かり易く示す。

光には可逆性があるから、ブレーズド回折格子１０を光の合成過程に利用した場合、図９に示す関係が成り立つ。即ち、或る波長の光が特定の角度で入射した場合、ブレーズド回折格子１０を通過することにより、同一光路上に合成されることになる。

＜第１実施形態＞
次に、上述のブレーズド回折格子を使用した本発明の第１実施形態の投影照明光学系について、図１を参照しながら説明する。

図１において、１Ｂ、１Ｇ、１Ｒは、青、赤、緑の三色光源（ＬＥＤ＝青色ダイオード、赤色ダイオード、緑色ダイオード）であり、互いに空間的に分離して配置されている。２Ｂ、２Ｇ、２Ｒは、光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒから射出される光を略平行光束化したり、偏光変換等の処理をしたりする光学系である。１０はブレーズド回折格子であり、三色光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒからの光が光学系２Ｂ、２Ｇ、２Ｒを介して所定の角度でこの回折格子１０に入射することにより、光路の重なった合成光を出射する（三色光の合成）。この合成された光束をリレー光学系１５で成形、光強度の均一化、必要に応じて偏光変換等の処理をしてマイクロディスプレイパネル３に照射し、投影レンズ５を介してスクリーン８に結像させる。この場合、カラー化対応のために、三色光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒからの各色に対応した画像をマイクロディスプレイパネル３に表示させるべく、同期制御部２０により各色毎に三色光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒ及びマイクロディスプレイパネル３を制御する。そして、このパネル３を、リレー光学系１５から出射された光で投影することにより、スクリーン８上に人間の視覚でカラー画像が認識される。

＜第２実施形態＞
次に、上記第１実施形態で述べた照明光学系を発展させた第２実施形態の照明光学系について、図２を参照しながら説明する。
三色光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒを空間的に分離して配置し、これらの各光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒからの光を光学系２Ｂ、２Ｇ、２Ｒで略平行光化し、ブレーズド回折格子１０に入射する。この配置で、ＢＧＲの各光を上述の説明による角度でブレーズド回折格子１０に入射させると、回折格子１０を透過後の光は、同一光路に合成される。この光を、コンデンサレンズ２７を通して、ライトトンネル２８のような光混合機能を持つ照明光量均一化機能素子光学系に通過させる。ライトトンネル２８の出口では、その断面に対して均一化された光分布が得られる。これをフィールドレンズ２９によってマイクロディスプレイパネル３に拡大投射する。

このとき必要に応じて、光学系をコンパクトにするために反転プリズム３０を採用することが可能である。プリズム３０の代替としてミラー系を使用しても構わない。この光をマイクロディスプレイパネル３に照射する。このマイクロディスプレイパネル３と三色の光源１Ｂ、１Ｇ、１Ｒは、同期制御部２０によって同期が取られている。例えば、Ｂの光源１ＢをＯＮし、Ｇ，Ｒを光源１Ｇ、１ＲをＯＦＦにする時は、マイクロディスプレイパネル３はＢ色の画像を表示する。その後、Ｇの光源１ＧをＯＮし、Ｂ、Ｒの光源１Ｂ、１ＲをＯＦＦにする時は、マイクロディスプレイパネル３の画像情報としては、Ｇの情報を出す。以下同様である。マイクロディスプレイパネル３を通過した光は、投影レンズ３２でスクリーン（図示せず）に投影され、これを人間が見ると、カラー画像として認識される。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態の照明光学系を、図３、図４を参照しながら説明する。
図３は第３実施形態の照明光学系の構成図であり、１は白色光源、２１は白色光源１からの光が入射するコンデンサレンズ、１０Ａはフィールドレンズ２１を通過した光が入射する第１のブレーズド回折格子、２３は第１のブレーズド回折格子１０Ａを透過した光が入射するフィールドレンズ、２４はフィールドレンズ２３からの光を透過させるか遮断するかを切り換えるスイッチ素子、２５はスイッチング素子２４を透過した光が入射するフィールドレンズ、１０Ｂはフィールドレンズ２５からの光が入射する第２のブレーズド回折格子、２７は第２のブレーズド回折格子１０Ｂからの光が入射するコンデンサレンズ、２８はコンデンサレンズ２７からの光が入射するライトトンネル、２９はライトトンネル２８からの光が入射するフィールドレンズ、３０は反転プリズム、３はマイクロディスプレイパネル、３２は投影レンズである。スイッチ素子２４は、第１の回折格子１０Ａと第２の回折格子１０Ｂとの間にあり、白色光源１、第１の回折格子１０Ａ、第２の回折格子１０Ｂは一直線上に配置されている。

光源１より射出された白色光は、コンデンサレンズ２１を介してブレーズド回折格子１０Ａに入射し、ここで０次、１次、−１次の３方向に色分離される。ブレーズド回折格子１０Ａにより空間的に色分離された光源像は、フィールドレンズ２３を通過することにより、フィールドレンズ２３の焦点面に結像する。スイッチ素子２４はこの焦点位置に配置してあり、スイッチ素子２４を制御することにより、空間的に色分離された光を後方の光路に順次通過させていく。

ここでスイッチ素子２４について説明する。
図４にスイッチ素子２４の例を示す。スイッチ素子２４（２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂ）は、例えば液晶のように光を透過したり遮断したりすることの可能な素子で構成されており、各色毎に対応している。ブレーズド回折格子１０Ａによって色分離された光をこのスイッチ素子２４に照射すると、スイッチ素子２４の切換状態に応じて、透過する光の色が切り換わる。表１は、このスイッチ素子２４の切換状態とフィールドレンズ２５への透過光の色の関係を示す。

＜表１＞
タイミング １ ２ ３ ４ ５
第１スイッチ素子 ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ
第２スイッチ素子 ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ
第３スイッチ素子 ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ
通過光 赤 緑 青 赤 緑

この表のような動作により、色分解された光を時系列に取り出すことができる。
スイッチ素子２４を透過した光は、フィールドレンズ２５と第２のブレーズド回折格子１０Ｂにより、また一つの光路に戻される。この場合、３つに分離したままで扱うことも可能ではあるが、光を効率よくマイクロディスプレイパネル３に照射するには、一つの光路に統合することが好ましいからである。この光をコンデンサレンズ２７を通して、ライトトンネル２８のような光混合機能を持つ照明光量均一化機能素子光学系に通過させる。

ライトトンネル２８の出口では、その断面に対して均一化された光分布が得られる。これをフィールドレンズ２９によってマイクロディスプレイパネル３に拡大投射する。このとき必要に応じて、光学系をコンパクトにするために反転プリズム３０を採用することが可能である。プリズム３０の代替としてミラー系を使用しても構わない。この光をマイクロディスプレイパネル３に照射する。このマイクロディスプレイパネル３とスイッチ素子２４は、同期制御部２０により同期が取られている。赤色通過をスイッチ素子２４にさせる場合は、マイクロディスプレイパネル３に赤色対応の画像を表示させる。同様に緑色通過をスイッチ素子２４にさせる場合は、マイクロディスプレイパネル３に緑色対応の画像を表示させ、青色通過をスイッチ素子２４にさせる場合は、マイクロディスプレイパネル３に青色対応の画像を表示させる。マイクロディスプレイパネル３を通過した光は、投影レンズ３２でスクリーン（図示せず）に投影され、これを人間が見ると、カラー画像として認識される。

本発明の第１実施形態の照明光学系の全体構成図である。 本発明の第２実施形態の照明光学系の全体構成図である。 本発明の第３実施形態の照明光学系の全体構成図である。 上記第３実施形態の照明光学系に使用するスイッチ素子の説明図である。 ブレーズド回路素子の説明図である。 ブレーズド回路素子の各色に対する位相の説明図である。 ブレーズド回路素子の波長と０次、１次、−１次の回折効率との関係を示す特性図である。 ブレーズド回路素子の作用説明図である。 ブレーズド回路素子の作用説明図である。 従来の照明光学系の第１例の説明図である。 従来の照明光学系の第２例の説明図である。 クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いない照明光学系のアイデアを説明するための説明図である。 クロスダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーを用いない別の照明光学系のアイデアを説明するための説明図である。

符号の説明

１ 白色光源
１Ｂ，１Ｇ，１Ｒ 光源（ＬＥＤ）
３ マイクロディスプレイパネル
１０ ブレーズド回折格子（光結合器）
１０Ａ 第１のブレーズド回折格子
１０Ｂ 第２のブレーズド回折格子
２４ スイッチ素子

Claims (5)

1. 複数の光源から射出された光を合成し同一の光路上に合成光として射出する光結合器を備えた照明光学系において、
   前記複数の光源のうちの１つの光源から射出される光が直進して前記光結合器を透過し前記光結合器の法線と略平行に前記光結合器から射出されると共に、他の光源から射出される光が前記光結合器によって進路を変更されることによって前記直進する１つの光の光路と同一の光路を進行するように、前記複数の光源及び前記光結合器が配置されていること特徴とする照明光学系。
2. 前記光結合器として回折格子が設けられ、
   前記回折格子の入射面側に、該回折格子の法線上に位置させて前記複数の光源のうちの１つが配置されると共に、他の光源が前記回折格子の法線上と異なる軸線上に配置されており、
   前記回折格子の法線上に配置された光源から射出された光が、回折格子を直進して透過し、他の光源から射出された光が、回折格子によって進路を変更されることによって、前記直進する光の光路と同一の光路を進行するように、前記複数の光源及び前記回折格子が配置されていること特徴とする照明光学系。
3. 前記回折格子として、ブレーズド回折格子が使用されていることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記複数の光源が、互いに異なる波長の光を発するＬＥＤよりなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明光学系。
5. 白色光源から射出された光を赤色、緑色、青色に時分割して射出する照明光学系において、
   前記白色光源から射出された光を、直進して透過する色成分と、進路を変更させられて透過する色成分とに分離する第１の回折格子と、
   前記第１の回折格子により色分離された光を各々透過するか遮蔽するか制御するスイッチ素子と、
   前記第１の回折格子を直進透過した色成分の光を更に直進透過させると共に、他の色成分の光を、前記直進透過した色成分と同一光路上に射出する第２の回折格子とを具備し、
   前記スイッチ素子が前記第１の回折格子と第２の回折格子との間にあり、前記白色光源、第１の回折格子、第２の回折格子が一直線上に配置されていることを特徴とする照明光学系。

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