JP2014191178A

JP2014191178A - プロジェクター

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Publication number: JP2014191178A
Application number: JP2013066242A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kashiwagi; 章宏柏木; Shunji Uejima; 俊司上島
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP6331254B2

Abstract

【課題】光変調素子に対して斜め方向から光が入射するプロジェクターにおいて、この光変調素子に入射する光の均一性を高めると共に、小型化が可能なプロジェクターを提供する。
【解決手段】光源と、光源から射出された光が入射する回折光学素子と、回折光学素子から射出された回折光が入射する光変調素子と、光変調素子から射出された光が入射する投射光学系と、を備え、光変調素子のうち回折光が照射される被照明領域Ｍの中心に入射する光線を回折光の主光線としたとき、主光線が被照明領域Ｍに対して斜めに入射し、主光線の被照明領域Ｍへの入射面と直交し、かつ主光線を含む面を基準面としたとき、回折光が基準面に対して非対称な強度分布を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、プロジェクターに関する。

従来より、光源から射出された照明光により光変調素子を照明し、その光変調素子により変調されて射出された画像光を投射光学系によりスクリーンに拡大投射するプロジェクターが広く知られている。

また、プロジェクターの中には、液晶方式を用いたプロジェクターと、ＤＬＰ（Digital Light Processing：米国テキサスインツルメンツ社の登録商標）方式を用いたプロジェクターと、がある。このうち、ＤＬＰ方式では、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device：米国テキサスインツルメンツ社の登録商標）と呼ばれる反射型光変調素子を用いている。

ＤＭＤは、ねじれ軸周りに±１２゜の角度範囲で傾きを変えることができる複数のマイクロミラーを配列したものからなる。そして、ＤＭＤでは、各マイクロミラーの傾きを画像信号に応じて切り換えながら、光源からの照明光の反射方向を制御し、各マイクロミラーからの反射光の有無によって画像を表示することが可能となっている。

ところで、従来のＤＭＤを用いたプロジェクターでは、インテグレータ光学系を用いて各マイクロミラーに対して照明光を照射することが行われている。しかしながら、ＤＭＤを用いたプロジェクターでは、複数のマイクロミラーが配列された画像形成領域に対して、光源からの照明光が斜め方向から入射するため、この照明光の光路長が画像形成領域の手前側（光路長が短い方）と奥側（光路長が長い方）で異なっている。

このため、例えば図６に示す平面視で方形状を為すＤＭＤの画像形成領域Ｍ’に対して、この画像形成領域Ｍ’と相似形となる方形状の断面形状を持つ照明光を斜め方向から入射した場合には、照明光が画像形成領域Ｍ’の面上において、この画像形成領域Ｍ’とは異なった歪んだ四角形の被照明領域Ｓ’を形成することになる。この場合、画像形成領域Ｍ’に対して照明光を効率的に入射させることが困難となる。ただし、図６に示した例では、照明光は図の左上上方から照射されている。

さらに、画像形成領域Ｍ’に入射した照明光の強度分布も、上述した光路長の違いによって不均一なものとなる。具体的に、照明光の強度分布は、光路長が短い画像形成領域Ｍ’の手前側ａで相対的に強くなり、光路長が長い画像形成領域Ｍ’の奥側ｂで相対的に弱くなる。

そこで、例えば回転非対称曲面を有するレンズ素子又は反射素子（被照明領域補正用光学素子）を用いて、ミラー偏向型ライトバルブの表示領域に入射する照明光の被照明領域を表示領域と相似形となるように補正することが提案されている（特許文献１を参照。）。

特許第３７２０６７８号公報

しかしながら、このような被照明領域補正用光学素子を用いた場合には、表示領域に入射する照明光の形状は補正できるものの、表示領域に入射する照明光の強度分布は、表示領域に入射する照明光の光路長の違いのために、補正が困難となる場合がある。したがって、この場合は表示領域に入射する照明光の強度分布が更に不均一となってしまう可能性もある。また、このような被照明領域補正用光学素子を追加した場合には、プロジェクターの小型（軽量）化が困難になり、コスト面でも不利となってしまう。

本発明の一つの態様は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、光変調素子に対して斜め方向から光が入射するプロジェクターにおいて、この光変調素子における照度分布の均一性を高めると共に、小型化が可能なプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記目的を達成するために、本発明の一つの態様に係るプロジェクターは、光源と、前記光源から射出された光が入射する回折光学素子と、前記回折光学素子から射出された回折光が入射する光変調素子と、前記光変調素子から射出された光が入射する投射光学系と、を備え、前記光変調素子のうち前記回折光が照射される被照明領域の中心に入射する光線を前記回折光の主光線としたとき、前記主光線が前記被照明領域に対して斜めに入射し、前記主光線の前記被照明領域への入射面と直交し、かつ前記主光線を含む面を基準面としたとき、前記回折光が前記基準面に対して非対称な強度分布を有することを特徴とする。

上記プロジェクターの構成によれば、光変調素子に対して斜め方向から光が入射する場合でも、光変調素子の被照明領域での照度分布を均一化し、且つ、効率的に入射させることができる。したがって、上記プロジェクターの構成によれば、画像品質に優れた明るい表示を行うことが可能であり、また、更なる小型化も可能である。

また、前記主光線に対して垂直な前記回折光の断面において、前記回折光は、前記回折光学素子の光射出領域から前記被照明領域までの前記回折光の光路長に応じた強度分布を有していることが好ましい。

この構成によれば、光変調素子の被照明領域での照度分布を効率的に均一化することができる。

さらに、前記断面において、前記基準面を挟んで前記光路長が長い側の前記回折光の強度が、前記基準面を挟んで前記光路長が短い側の前記回折光の強度よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、光変調素子の被照明領域での照度分布を更に効率的に均一化することができる。

また、前記断面の形状が、前記主光線の入射方向から見た前記被照明領域の斜視形状と相似形を為していることが好ましい。

この構成によれば、画像形成領域を被照明領域とした場合、画像形成領域に入射する光の形状を画像形成領域に合わせて補正することができるため、光源からの光を効率的に利用できる。

また、前記回折光学素子として、計算機合成ホログラムを用いることができる。

この構成によれば、光変調素子の被照明領域での照度分布及び被照明領域の形状を効率的に調整することができる。

また、前記光源として、半導体レーザを用いることができる。

この構成によれば、高輝度・高出力な光が得られると共に、光源の小型化を図ることができる。

また、前記光源として、複数の前記半導体レーザを配列したアレイ光源を用いることができる。

この構成によれば、複数の半導体レーザを配列したアレイ光源を用いて、更に高輝度・高出力な光を得ることができる。

また、前記光源と回折光学素子との間の光路中にコリメータ光学系が配置された構成であってもよい。

この構成によれば、光源から射出された光を平行光に変換して回折光学素子に入射させることができるため、回折光学素子の設計が容易になる。

また、前記光源と前記回折光学素子との間の光路中にアフォーカル光学系が配置された構成であってもよい。

この構成によれば、光源から射出された光のスポット径を調整しながら、回折光学素子に効率的に入射させることができる。

第１の実施形態におけるプロジェクターの概略構成を示す模式図である。反射型光変調素子の画像形成領域に入射する照明光を反射型光変調素子の側方から見た図である。図３（ａ）は、主光線に対して垂直な回折光の断面の形状を示す図であり、図３（ｂ）は、主光線の入射方向から見た画像形成領域の斜視形状を示す図である。入射面上における被照明領域の形状と、主光線の入射方向から見た画像形成領域の斜視形状とを示す模式図である。本発明の画像形成領域上における被照明領域の形状を表す平面図である。第２の実施形態におけるプロジェクターの概略構成を示す模式図である。従来の画像形成領域上における被照明領域の形状を表す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態として例えば図１に示すプロジェクター１の一例について説明する。なお、図１は、プロジェクター１の概略構成を示す模式図である。

プロジェクター１は、図１に示すように、複数の半導体レーザ２ａが配列されたアレイ光源２と、各半導体レーザ２ａから射出された光Ｌ１（レーザ光）が入射するコリメータ光学系３と、コリメータ光学系３により平行光に変換された光Ｌ１が入射するアフォーカル光学系４と、アフォーカル光学系４によりスポット径が調整された光Ｌ１が入射する回折光学素子５と、回折光学素子５により回折された光（回折光）Ｌ２が入射する重畳光学系６と、重畳光学系６によって重畳された回折光（照明光）Ｌ３を画像信号に応じて変調し、その変調した光（画像光）Ｌ４を射出する反射型光変調素子７と、反射型光変調素子８からの画像光Ｌ４をスクリーンＳＣＲに向かって投射する投射光学系８と、を概略備えている。

アレイ光源２は、複数の半導体レーザ２ａがアレイ状に並ぶことによって構成されている。また、各半導体レーザ２ａから射出される光Ｌ１は、コヒーレントな直線偏光の光であり、互いに平行に射出される。

コリメータ光学系３は、各半導体レーザ２ａに対応してアレイ状に並んで配置された複数のコリメータレンズ３ａからなる。そして、各コリメータレンズ３ａにより平行光に変換された光Ｌ１は、アフォーカル光学系４に入射される。光Ｌ１はコリメータレンズ３ａによって平行化され、アフォーカル光学系４を介して回折光学素子５に入射するため、回折光学素子５の設計が容易となる。

アフォーカル光学系４は、レンズ４ａ，レンズ４ｂから構成されている。そして、このアフォーカル光学系４によりスポット径が調整された光Ｌ１は、回折光学素子３に入射される。

回折光学素子５は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）からなる。回折光学素子５には、アレイ光源２の各半導体レーザ２ａから射出された複数の光Ｌ１が入射する。このため、回折光学素子５からは、複数の光Ｌ１の本数に応じた数の複数の回折光Ｌ２が射出される。

回折光学素子５に対して光Ｌ１を垂直に入射させることが好ましい。これにより、上述した回折光Ｌ２を得るためのＣＧＨの回折光学設計が容易となる。一方、回折光Ｌ２は、アフォーカル光学系４の光軸ａｘ１に対して傾いた方向に射出される。

重畳光学系６は、重畳レンズ６ａとフィールドレンズ６ｂとの２枚のレンズから構成されている。そして、重畳光学系６は、その光軸ａｘ２が回折光Ｌ２の回折方向と平行であり、かつ複数の回折光Ｌ２の束の中心を通るように配置されている。これにより、回折光学素子５から射出される回折光Ｌ２を重畳光学系６に対して効率的に入射させることができる。

そして、この重畳光学系６は、回折光学素子５からの複数の回折光Ｌ２を重畳することによって照明光Ｌ３を形成し、照明光Ｌ３を反射型光変調素子８に照射する。

反射型光変調素子７は、ＤＭＤからなる。ＤＭＤは、ねじれ軸周りに±１２゜の角度範囲で傾きを変えることができる複数のマイクロミラー７ａを配列したものからなる。反射型光変調素子７では、照明光Ｌ３が入射する面上において、これら複数のマイクロミラー７ａが平面視で方形状を為す画像形成領域を構成している。また、このような反射型光変調素子７を用いた場合、照明光Ｌ３が反射型光変調素子７の画像形成領域に対して斜め方向から入射することになる。

そして、この反射型光変調素子７では、各マイクロミラー７ａの傾きを画像信号に応じて切り換えながら、照明光Ｌ３の反射方向を制御し、各マイクロミラー７ａからの反射光の有無によって画像光Ｌ４を形成することが可能となっている。

投射光学系９は、投射レンズ群からなり、反射型光変調素子７からの画像光Ｌ４をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

ここで、図２、図３及び図４を用いて、本発明を具体的に説明する。プロジェクター１では、複数の回折光Ｌ２が回折光学素子５から射出されるが、ここでは、複数の回折光Ｌ２のうち一の回折光Ｌ２ａを用いて本発明を説明する。反射型光変調素子７のうち回折光Ｌ２ａが照射される領域を、回折光Ｌ２ａによる被照明領域Ｓとする。本実施形態では、反射型光変調素子７の画像形成領域Ｍの全面に回折光Ｌ２ａが照射されるように回折光学素子５が設計されているため、画像形成領域Ｍの全面が被照明領域Ｓに含まれる。

なお、図２は、反射型光変調素子７の画像形成領域Ｍに入射する回折光Ｌ２ａを反射型光変調素子７の側方から見た図である。図２において、重畳光学系６は省略してある。回折光学素子５から射出された回折光Ｌ２ａのうち、被照明領域Ｓの中心Ｓｃに入射する光線を回折光Ｌ２ａの主光線Ｔとする。図３（ａ）は、主光線Ｔに対して垂直な回折光Ｌ２ａの断面Ｕの形状を示す図であり、図３（ｂ）は、主光線Ｔの入射方向から見た画像形成領域Ｍの斜視形状を示す図である。図４は、反射型光変調素子７上における、被照明領域Ｓの形状と画像形成領域Ｍの形状とを表す平面図である。

図２に示すように、反射型光変調素子７の被照明領域Ｓには、０°以外の所定の入射角θで主光線Ｔが入射する。

ここで、回折光学素子５から回折光Ｌ２ａが射出される領域Ｖと被照明領域Ｓの手前側の端部Ａ’との間の回折光の光路長をＴ_Ａとし、領域Ｖと画像形成領域の奥側の端部Ｂ’との間の回折光の光路長をＴ_Ｂとする。光路長Ｔ_Ａは光路長Ｔ_Ｂよりも短い。このため、図６に示した従来例のように、断面形状が画像形成領域Ｍ’と相似形である方形状の照明光を画像形成領域Ｍ’に対して斜め方向から入射した場合には、照明光が画像形成領域Ｍ’の面上において、この画像形成領域Ｍ’とは異なる歪んだ四角形の被照明領域Ｓ’を形成することになる。

これに対して、本実施形態では、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、主光線Ｔの入射方向から見た画像形成領域Ｍ（被照明領域Ｓ）の斜視形状と相似形をなす断面形状Ｕを持つ回折光Ｌ２ａを画像形成領域Ｍに斜め方向から入射させる。これにより、回折光Ｌ２ａは、図４に示すように、画像形成領域Ｍの面上において、この画像形成領域Ｍとほぼ一致した形状の被照明領域Ｓを形成することになる。

また、本実施形態では、主光線Ｔの被照明領域Ｓへの入射面と直交し、かつ主光線Ｔを含む面を基準面Ｗとしたとき、断面Ｕにおいて、回折光Ｌ２ａが基準面Ｗに対して非対称な強度分布を有する。より詳しくは、断面Ｕにおいて、回折光Ｌ２ａは、領域Ｖと被照明領域Ｓへの入射位置との間の光路長に応じた強度分布を有している。

ここで、従来のように、断面における強度分布が均一な照明光を画像形成領域Ｍ’に対して斜め方向から照射すると、被照明領域での照度分布は、光路長が短い画像形成領域Ｍ’の手前側ａで相対的に強くなり、光路長が長い画像形成領域Ｍ’の奥側ｂで相対的に弱くなる。

これに対して、本実施形態では、断面Ｕにおいて、基準面Ｗを挟んで光路長が長い奥側の端部Ｂの回折光Ｌ２ａの強度が、基準面Ｗを挟んで光路長が短い手前側の端部Ａの回折光Ｌ２ａの強度よりも大きくなっている。
これにより、回折光Ｌ２ａは、被照明領域Ｓである画像形成領域Ｍを均一な照度分布で照明することができる。

本実施形態では、上述した回折光学素子５を用いることによって、断面Ｕの形状を画像形成領域Ｍの斜視形状に対応した形状に変換し、さらに、断面Ｕにおける回折光Ｌ２ａの強度分布を基準面Ｗに対して非対称なものに変換することができる。これにより、画像形成領域Ｍに入射する回折光Ｌ２ａの形状について補正するだけでなく、画像形成領域Ｍ（被照明領域）での照度分布を均一化することが可能である。

なお、複数の回折光のうち少なくとも一つの回折光が上記の特徴を備えていればよく、全ての回折光が上記の特徴を備えていてもよい。また、複数の回折光の束を一つの回折光とみなした時、当該回折光が上記の特徴を備えていてもよい。

以上のようにして、本実施形態では、反射型光変調素子７に対して斜め方向から回折光Ｌ２ａが入射する場合でも、均一な照度で反射型光変調素子７を照明することができ、且つ、回折光Ｌ２ａを反射型光変調素子７に効率的に入射させることができる。したがって、本実施形態を適用したプロジェクター１では、画像品質に優れた明るい表示を行うことができる。

また、本実施形態では、回折光学素子５を用いることで、従来のような照明光の強度分布を均一化するためのレンズアレイやロッドレンズと、照明光の形状を補正するための被照明領域補正用光学素子とを別々に備える必要がないため、プロジェクター１を小型（軽量）化することが可能である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図５に示すプロジェクター５０について説明する。
なお、以下の説明では、図１に示すプロジェクター１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

このプロジェクター５０は、図５に示すように、ＤＭＤからなる反射型光変調素子７の代わりに、反射型液晶パネルからなる反射型光変調素子５１を用いた構成である。反射型液晶パネルは、素子基板と対向基板との間に液晶層が挟持された構造を有している。また、素子基板の液晶層と対向する面上には、画像表示の一単位となる複数の画素電極（反射電極）がマトリクス状に配置されている。反射型光変調素子５１では、これら複数の画素電極が平面視で方形状を為す画像形成領域Ｍを構成している。

また、反射型光変調素子５１の入射側及び射出側には、一対の偏光板５２，５３が配置されており、特定の方向の直線偏光の光のみを通過させる仕組みとなっている。そして、このプロジェクター５０では、照明光Ｌ３が反射型光変調素子５１の画像形成領域Ｍに対して斜め方向から入射することになる。

本発明では、このような反射型光変調素子５１を用いたプロジェクター５０においても、第１の実施形態に示すプロジェクター１と同様の効果を得ることが可能である。また、透過型光変調素子を用いたプロジェクターにおいても、第１の実施形態に示すプロジェクター１と同様の効果を得ることが可能である。

なお、上記の実施形態では、画像形成領域Ｍが被照明領域Ｓに包含される例を示したが、それに限られない。回折光学素子５から射出される複数の回折光各々が、画像形成領域Ｍの互いに異なる領域を照明してもよい。

１…プロジェクター（第１の実施形態）２…アレイ光源２ａ…半導体レーザ３…コリメータ光学系３ａ…コリメータレンズ４…アフォーカル光学系４ａ，４ｂ…アフォーカルレンズ５…回折光学素子（ＣＧＨ）６…重畳光学系６ａ…重畳レンズ６ｂ…フィールドレンズ７…反射型光変調素子（ＤＭＤ）８…投射光学系５０…プロジェクター（第２の実施形態）５１…反射型光変調素子（液晶パネル）５２，５３…偏光板ＳＣＲ…スクリーンＴ…主光線Ｕ…断面Ｗ…基準面Ｍ…画像形成領域Ｓ…被照明領域

Claims

光源と、
前記光源から射出された光が入射する回折光学素子と、
前記回折光学素子から射出された回折光が入射する光変調素子と、
前記光変調素子から射出された光が入射する投射光学系と、を備え、
前記光変調素子のうち前記回折光が照射される被照明領域の中心に入射する光線を前記回折光の主光線としたとき、前記主光線が前記被照明領域に対して斜めに入射し、
前記主光線の前記被照明領域への入射面と直交し、かつ前記主光線を含む面を基準面としたとき、前記回折光が前記基準面に対して非対称な強度分布を有することを特徴とするプロジェクター。
前記主光線に対して垂直な前記回折光の断面において、前記回折光は、前記回折光学素子の光射出領域から前記被照明領域までの前記回折光の光路長に応じた強度分布を有していることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
前記断面において、前記基準面を挟んで前記光路長が長い側の前記回折光の強度が、前記基準面を挟んで前記光路長が短い側の前記回折光の強度よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のプロジェクター。
前記断面の形状が、前記主光線の入射方向から見た前記被照明領域の斜視形状と相似形を為していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のプロジェクター。
前記回折光学素子は、計算機合成ホログラムであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のプロジェクター。
前記光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のプロジェクター。
前記光源は、複数の前記半導体レーザを配列したアレイ光源であることを特徴とする請求項６に記載のプロジェクター。
前記光源と前記回折光学素子との間の光路中にコリメータ光学系が配置されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のプロジェクター。
前記光源と前記回折光学素子との間の光路中にアフォーカル光学系が配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のプロジェクター。