JP2009008889A - フライアイレンズ、光学ユニットおよび表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フライアイレンズによる照明エリアを照射対象物に正確に合わせること
【解決手段】本発明は、複数の小レンズ１１がマトリクス状に配列されたフライアイレンズ１０において、複数の小レンズ１１のうち、いずれかの小レンズ１１のレンズ面の一部に、他の小レンズ１１のレンズ面の形状と異なる形状を備えた異形部１２が設けられているものである。異形部１２としては、複数の小レンズ１１のうちいずれか１つに設けられていたり、複数の小レンズ１１のうち最外部に配置される小レンズ１１に設けられている。また、異形部１２の形状は、レンズ面に対して凹部となっているものや、凸部となっているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の小レンズがマトリクス状に配列されたフライアイレンズ、およびこのフライアイレンズを用いる光学ユニットならびに表示装置に関する。

液晶プロジェクタ等の投射型の表示装置は、光源から出射した光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色に分光し、各色所定の経路で各々対応した光変調素子（液晶パネル等）に導いて変調を行い、合成プリズムで合成した後、投射光学系を介してスクリーン上に拡大投射している（例えば、特許文献１参照。）。

ここで、光源から出射した光を効率よく、かつ均一に光変調素子へ集光するため、光源の後段にフライアイレンズが設けられている。フライアイレンズは複数の小レンズがマトリクス状に配列されたもので、各小レンズで集光した光を重ね合わせて照射できるようになっている。

特開平１０−１３３３０３号公報

しかしながら、このフライアイレンズによって集光された照明エリアの中心と光変調素子である液晶パネルの表示エリアの中心との位置合わせは非常に困難である。すなわち、通常、照明エリアより内側に液晶パネルの表示エリアがあれば、映像は欠けることなく表示されるため、照明エリアの中心と液晶パネルの表示エリアの中心とが合致しているか否かの判断は非常に難しい。このため、フライアイレンズや液晶パネルの機械的な位置合わせの許容範囲内にあるか否かによって代替することになる。これでは実際に中心が合致しているかは分からず、ずれている場合には映像の均一性を損なう原因となる。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、複数の小レンズがマトリクス状に配列されたフライアイレンズにおいて、複数の小レンズのうち、いずれかの小レンズのレンズ面の一部に、他の小レンズのレンズ面の形状と異なる形状を備えた異形部が設けられているものである。

このような本発明では、フライアイレンズを構成する複数の小レンズのうち、いずれかの小レンズのレンズ面の一部に異形部が設けられていることから、この異形部によって他の小レンズとは異なる結像が行われ、これを位置合わせのマークとして利用できるようになる。

異形部としては、複数の小レンズのうちいずれか１つに設けられていたり、複数の小レンズのうち最外部に配置される小レンズに設けられている。また、異形部の形状は、レンズ面に対して凹部となっているものや、凸部となっているものである。

複数の小レンズのうちいずれか１つや、最外部の小レンズに異形部が設けられている場合、その小レンズのみを用いて結像させると異形部が投影され、フライアイレンズの位置合わせ用マークとして利用でき、全ての小レンズを用いて結像させた場合には各小レンズの集光の積分となることから、異形部による結像の影響は認識できない程度となる。

本発明は、このようなフライアイレンズを用いた光学ユニットおよび表示装置である。これにより、異形部の結像を用いたフライアイレンズの位置合わせができ、フライアイレンズによる照明エリアと光変調素子による表示エリアとの正確な位置合わせを行うことができるようになる。

したがって、本発明によれば、次のような効果がある。すなわち、フライアイレンズによる照明エリアを照射対象物に正確に合わせることが可能となる。このため、本発明のフライアイレンズを用いる光学ユニットおよび表示装置によれば、フライアイレンズによる照明エリアの中心と光変調素子の表示エリアの中心とを正確に合わせることができ、均一性の高い映像を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。

（フライアイレンズ）
図１は、本実施形態に係るフライアイレンズを説明する模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＡ部拡大図におけるａ−ａ線矢視断面図（その１）、（ｄ）は（ｂ）のＡ部拡大図におけるａ−ａ線矢視断面図（その２）である。

すなわち、図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るフライアイレンズ１０は、複数の小レンズ１１がマトリクス状に配置されたもので、各小レンズ１１によって収束した光を一箇所に重畳するオプティカルインテグレータである。

本実施形態のフライアイレンズ１０は、複数の小レンズ１１のうち、いずれかの小レンズ１１のレンズ面の一部に、他の小レンズ１１のレンズ面の形状と異なる形状を備えた異形部１２が設けられている点に特徴がある。

図１（ａ）に示す例では、複数の小レンズ１１のうち、Ａ部で示す最外部の一つの小レンズ１１に異形部１２を設けている。図１（ｂ）に示すように、図１（ａ）のＡ部で示す小レンズ１１には、レンズ面の一部に図中斜線で示す異形部１２が設けられている。異形部１２は、平面でみると、例えばＬ字型に設けられている。

異形部１２の断面形状としては、図１（ｃ）に示す凹形状のもの、図１（ｄ）に示す凸形状のものが考えられる。図１（ｃ）に示す凹形状では、小レンズ１１のレンズ面の一部に切り欠きを設け、この部分で集光しないよう例えば平坦な面を形成する。

また、図１（ｄ）に示す凸形状では、小レンズ１１のレンズ面の一部に、想定されるレンズ面より張り出す部分を設け、この部分で集光しないよう例えば平坦な面を形成する。

いずれの例でも、レンズ面の一部に、レンズとしての役目を果たさない形状となる異形部１２を設けておく。なお、異形部１２の形状としてはこれらに限定されない。また、レンズとしての役目を果たさないようレンズ面の一部に光の不透過領域を設け、これを異形部１２としてもよい。

このような異形部１２をフライアイレンズ１０のいずれかの小レンズ１１に設けることによって、この小レンズ１１では他の小レンズ１１とは異なる結像が行われ、これを位置合わせのマークとして利用できるようになる。

（表示装置：液晶プロジェクタ）
図２は、本実施形態のフライアイレンズを用いた表示装置（液晶プロジェクタ）の例を示す模式図である。すなわち、液晶プロジェクタ１０００は、光源１０１、レンズ部１０２、ダイクロイック色分離フィルタ１０３、ビームスプリッタ１０４ｒ、１０４ｇ、１０４ｂ、液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂ、駆動回路１０５ｒ、１０５ｇ、１０５ｂ、プリズム（ダイクロイックミラー）１０６および投射レンズ１０７を備えた構成となっている。

この液晶プロジェクタ１０００において、レンズ部１０２に設けられる２枚のフライアイレンズのうち一枚に、上記説明した本実施形態のフライアイレンズ１０を適用する。

このシステムでは、光源１０１から出射した光をレンズ部１０２からダイクロイック色分離フィルタ１０３に送り、ここで２方向へ分離する。２方向へ分離された光は、全反射ミラー１０８、１０９、ビームスプリッタ１０４ｒ、１０４ｇ、１０４ｂ、ダイクロイックミラー１１０、プリズム１０６によってＲ（RED）、Ｇ（GREEN）、Ｂ（BLUE）３色に対応した反射型の液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂから成る表示部に各々送られる。

例えば、Ｒ（RED）に対応した液晶表示装置１ｒには、ダイクロイック色分離フィルタ１０３から全反射ミラー１０８、ビームスプリッタ１０４ｒを介して光源１０１からの光が入射し、Ｇ（GREEN）に対応した液晶表示装置１ｇには、ダイクロイック色分離フィルタ１０３から全反射ミラー１０８、ダイクロイックミラー１１０およびビームスプリッタ１０４ｇを介して光源１０１からの光が入射し、Ｂ（BLUE）に対応した液晶表示装置１ｂには、ダイクロイック色分離フィルタ１０３から全反射ミラー１０９、ビームスプリッタ１０４ｂを介して光源１０１からの光が入射する。

各液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂは、ダイクロイックミラーであるプリズム１０６の複数の面に各々対応する状態で、ビームスプリッタ１０４ｒ、１０４ｇ、１０４ｂを介して設けられている。また、各液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂは各々対応する駆動回路１０５ｒ、１０５ｇ、１０５ｂによって駆動され、入射した光を液晶層で映像にして反射し、プリズム１０６によって合成して投射レンズ１０７に送る。これにより、Ｒ（RED）、Ｇ（GREEN）、Ｂ（BLUE）３色に対応した映像が図示しないスクリーンに投影され、カラー画像として再現されることになる。

なお、図２に示す液晶プロジェクタは光源１０１から出射された光を各液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂで反射して変調する反射型の液晶プロジェクタであるが、光を各液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂで透過して変調する透過型の液晶プロジェクタであっても同様である。

（光学ユニット）
本実施形態に係るフライアイレンズ１０は、光学部品と組み合わせることで光学ユニットとして適用することが可能である。すなわち、光学ユニットは、本実施形態に係るフライアイレンズ１０と光学部品とを組み合わせたもので、例えば、図２に示す液晶プロジェクタ１０００の構成のうち、本実施形態に係るフライアイレンズ１０を含むレンズ部１０２と、ダイクロイック色分離フィルタ１０３、全反射ミラー１０８、１０９、ダイクロイックミラー１１０、各表示デバイス（液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂ）、および各表示デバイスに対応する各ビームスプリッタ１０４ｒ、１０４ｇ、１０４ｂの組み合わせから成るものである。なお、これ以外の組み合わせてであっても光学モジュールとして構成可能である。

（表示装置：リアプロジェクタ）
図３は、本実施形態に係るフライアイレンズ１０を適用した表示装置（リアプロジェクタ）の構成を説明する模式図である。すなわち、このリアプロジェクタは、筐体内に配置された液晶プロジェクタ１０００と、背面ミラー１００１と、スクリーンＳを備える構成となっている。

液晶プロジェクタ１０００は先に説明した図２に示す構成となっており、各液晶表示装置１ｒ、１ｇ、１ｂで変調して得た映像を合成し、投射レンズ１０７から背面ミラー１００１に向けて合成映像を出射する。液晶プロジェクタ１０００から出射された合成映像は拡大しながら背面ミラー１００１で反射して、スクリーンＳの背面に照射される。このスクリーンＳに照射された合成映像を筐体の外側から参照できることになる。

（位置合わせ方法）
上記のような表示装置および光学ユニットに適用される本実施形態のフライアイレンズ１０では、先に説明した小レンズ１１の異形部１２を用いて光源の照射領域と液晶表示装置の表示エリアとの位置合わせを行うことができる。

位置合わせを行うには、先ず、図４に示すように、フライアイレンズ１０の異形部１２を備えた小レンズ１１を除く部分に遮光部材Ｆを被せる。これにより、異形部１２を備える小レンズ１１のみに光源から出射される光が照射され、他の小レンズ１１には照射されない状態となる。

次に、異形部１２を備えた小レンズ１１のみを用いて光源から出射された光を集光し、通常の光学ユニットを経由してスクリーンＳに映像を映し出す。液晶表示装置で変調する映像の信号は、表示エリア全面が一様な明度となるものを与える。したがって、液晶表示装置の表示エリアに一様に光が照射されれば、スクリーンＳに映し出される投射映像も一様な明度のものとなる。

しかし、本実施形態のように、異形部１２を備えた小レンズ１１のみを用いて集光した光を液晶表示装置に照射すると、異形部１２があることでその部分での集光が行われないことから、異形部１２に対応する部分の投射映像が他の部分に比べて暗く映る状態となる。したがって、この異形部１２に対応する部分の投射映像を用いて位置合わせの基準にすることができる。

図５は、異形部の投射映像を用いた位置合わせ方法の手順を説明する模式図である。先ず、光学ユニットを組み付けて、位置合わせしていない状態で異形部１２を備えた小レンズ１１のみを用いて光源からの光を照射し映像を投影する。

図５（ａ）は、位置合わせ前のスクリーン上の投影像を示す模式図である。位置合わせ前であることから、フライアイレンズを介した照明領域は液晶表示装置による表示領域（スクリーン上の表示領域）とずれている。この際、照明領域には小レンズ１１に設けた異形部１２（図１参照）に対応する部分の投射映像（図中斜線部）も映し出される。

スクリーンＳ上には、予め液晶表示装置による表示領域と対応付けされたマークＭが設けられている。マークＭは、例えば縦横を示す十字型に設けられており、この縦横のマークＭと照明領域の異形部１２に対応する部分の投射映像の縦横外形ラインとが、照明領域のずれを表すことになる。つまり、照明領域の異形部１２に対応する部分の投射映像の縦横外形ラインと、スクリーンＳ上の縦横のマークＭとの位置を合わせることで、照明領域の中心と表示領域の中心とが合致する状態となる。

照明領域の位置を調整するには、光路中のレンズやミラーの位置を調整することによって行う。この調整によって照明領域を移動させ、照明領域の異形部１２に対応する部分の投射映像の縦横外形ラインと、スクリーンＳ上の縦横のマークＭとの位置が合うまで行う。そして、図５（ｂ）に示すように、照明領域の異形部１２に対応する部分の投射映像の縦横外形ラインと、スクリーンＳ上の縦横のマークＭとの位置が合うと、照明領域の中心と表示領域の中心とが合致して、照明領域と表示領域との上下左右の余裕分が均等となる。

上記位置合わせが完了した後は、図４に示すフライアイレンズ１０に被せていた遮光部材Ｆを取り外す。これにより、全ての小レンズ１１を用いた集光が実現する。この際、異形部１２を備えた小レンズ１１をそのまま利用しても、異形部１２を備えていない他の小レンズ１１の集光像が重畳されることから、実際の使用状態では肉眼で把握できない程度に均一化される。

このように、異形部１２を備えた小レンズ１１も用いて集光を行うため、異形部１２を設ける小レンズ１１は、フライアイレンズ１０の最外部にある小レンズのうち隅部の一つに設けることが望ましい。この部分では、光源から照射される光が最も弱いため、異形部１２の映像が重畳光に与える影響を最も少なくすることができるからである。

（実施効果）
このような位置合わせによれば、特別な調整用治具を用いて照明領域の位置調整を行うことなく、実際に表示装置に組み込まれるフライアイレンズ１０を利用して容易かつ正確に照明領域の位置を調整することが可能となる。また、フライアイレンズ１０が実際の表示装置に組み込まれた状態で調整できることから、別途調整用治具を用いて調整する場合に発生する載せ変えでの誤差がおきず、部品誤差を吸収でき、安定した調整を行うことが可能となる。

なお、上記実施形態では、フライアイレンズ１０を主として液晶プロジェクタ等の表示装置に用いる例を説明したが、他の光学装置に用いる場合でもフライアイレンズ１０による重畳像と後段の対象領域との位置合わせ、中心合わせを行う場合に適用可能である。

本実施形態に係るフライアイレンズを説明する模式図である。 本実施形態のフライアイレンズを用いた表示装置（液晶プロジェクタ）の例を示す模式図である。 本実施形態に係るフライアイレンズ１０を適用した表示装置（リアプロジェクタ）の構成を説明する模式図である。 位置合わせのための遮光部材について説明する模式図である。 位置合わせ方法の手順を説明する模式図である。

符号の説明

１０…フライアイレンズ、１１…小レンズ、１２…異形部、１０１…光源、１０２…レンズ部、１０００…液晶プロジェクタ

Claims (7)

1. 複数の小レンズがマトリクス状に配列されたフライアイレンズにおいて、
   前記複数の小レンズのうち、いずれかの小レンズのレンズ面の一部に、他の小レンズのレンズ面の形状と異なる形状を備えた異形部が設けられている
   ことを特徴とするフライアイレンズ。
2. 前記異形部が設けられる小レンズは、前記複数の小レンズのうちいずれか１つである
   ことを特徴とする請求項１記載のフライアイレンズ。
3. 前記異形部が設けられる小レンズは、前記複数の小レンズのうち最外部に配置される小レンズである
   ことを特徴とする請求項１記載のフライアイレンズ。
4. 前記異形部は、前記レンズ面に対して凹部となっている
   ことを特徴とする請求項１記載のフライアイレンズ。
5. 前記異形部は、前記レンズ面に対して凸部となっている
   ことを特徴とする請求項１記載のフライアイレンズ。
6. 光源から照射された光をフライアイレンズを介して集光し、この光を複数の色に分光して、各色に対応した光変調素子へ導く光学ユニットにおいて、
   前記光学ユニットのフライアイレンズは、
   複数の小レンズがマトリクス状に配列されており、前記複数の小レンズのうち、いずれかの小レンズのレンズ面の一部に、他の小レンズのレンズ面の形状と異なる形状を備えた異形部が設けられている
   ことを特徴とする光学ユニット。
7. 光源と、
   前記光源から照射された光を複数の色に分光して、各色に対応した光変調素子へ導き、各光変調素子で変調された光を合成する光学ユニットと、
   前記光学ユニットによって合成された光を投射する投射光学系とを備える表示装置において、
   前記光学ユニットのフライアイレンズは、
   複数の小レンズがマトリクス状に配列されており、前記複数の小レンズのうち、いずれかの小レンズのレンズ面の一部に、他の小レンズのレンズ面の形状と異なる形状を備えた異形部が設けられている
   ことを特徴とする表示装置。

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