JP2019015753A - 拡散板及び光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルコントラストを低減するとともに、発散角度制御を行うことで後段で使用する光学系の性能や効率を向上させる拡散板を提供する。【解決手段】複数の微小光学素子３１が配列された拡散板３００において、前記微小光学素子３１は、隣接する微小光学素子３１と有効径あるいは焦点距離が異なり、当該拡散板３００を透過した光が入射する光学系の最大入射角：２α、前記微小光学素子の拡散角２θとしたとき、いずれも条件式（１）：２θ≦２αを満たすことを特徴とする拡散板。【選択図】図４

Description

本発明は、拡散板及び光学系に関する。

プロジェクタに代表される、レンズユニットを使用した画像投影装置などの光学装置において、投影面内における照度を均一にするために、拡散板を用いる構成が知られている（例えば特許文献１等参照）。

このような構成に用いる拡散板として、マイクロレンズを平面状に配列したマイクロレンズアレイを用いたレンズ拡散板が知られている。
しかしながら、レンズ拡散板において、特にレーザー光源等のコヒーレンスの高い光源を用いると、等間隔に並べられたマイクロレンズが回折格子のような役割を果たし、結像時に干渉縞が発生、また同時にスペックルも現れてしまうという問題があった。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、スペックルコントラストを低減するとともに、発散角度制御を行うことで後段で使用する光学系の性能や効率を向上させる拡散板の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明にかかる拡散板は、複数の微小光学素子が配列された拡散板において、前記微小光学素子は、隣接する微小光学素子と有効径あるいは焦点距離が異なり、当該拡散板を透過した光が入射する光学系の最大入射角：２α、前記微小光学素子の拡散角２θとしたとき、いずれも条件式（１）：２θ≦２αを満たす。

本発明によれば、干渉縞とスペックルコントラストを低減するとともに、発散角度制御を行うことで後段で使用する光学系の性能や効率を向上させる。

本発明の実施形態における画像投影装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態における拡散板の構成の一例を示す図である。 図２に示した拡散板の配列構成の一例を示す図である。 図２に示した拡散板の光の透過の一例を示す図である。 図２に示した拡散板において、拡散光量の分布の一例を示す図である。 本発明の変形例としての画像投影装置を示す図である。 図６に示した位相制御素子の構成の一例を示す図である。 図６に示した位相制御素子の他の構成例を示す図である。 拡散板の従来例を示す図である。 拡散板の他の配置例を示す図である。

本発明の実施形態として、画像投影装置の構成の一例を図１に示す。
画像投影装置１００は、光束を射出する光源１０１と、投射すべき画像を表示して、透過する光束に画像情報を付与する空間光変調素子１０２と、拡散板たるマイクロレンズ拡散板３００と、マイクロレンズ拡散板３００の後段に配置された光学系たるコンデンサーレンズ３０１と、を有している。
画像投影装置１００はまた、画像を表示面１０４に投影するための投影光学系たるレンズユニット２００と、表示面１０４に投影するべき画像を表示するために空間光変調素子１０２を制御する制御部１０９と、を有している。

光源１０１は、光線を出射する発光源たるレーザー光源を用いて、光を略平行に出射する。ここで光源としては、本実施形態の特徴を活かすためにコヒーレンス性の高い単色光源が最も望ましいが、かかる構成に限定されるものではない。

空間光変調素子１０２は、入射した光束を透過して空間的な変調を付与して出射することで画像情報を与える画像表示手段たる液晶パネルである。なお、空間光変調素子１０２は、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）のような反射型の空間光変調素子であっても良い。

レンズユニット２００は、鏡筒たる筐体２０と、光軸上に配置されて投射光学系を構成する少なくとも１つのレンズ１５と、を有している。

マイクロレンズ拡散板３００は、図２、図３に示すように、微小光学素子たるマイクロレンズ３１が複数平面上に配列されたレンズアレイである。
ここで、マイクロレンズ３１は、それぞれに独立した有効径と焦点距離とを有している。また、互いに隣接するマイクロレンズ３１同士の有効径Ｄは異なるように設けられている。
なお、図３あるいは以降の説明において、特に個別のマイクロレンズ３１の拡散角２θ等について記述するときには、下付き付番で拡散角２θ_１等のように表すこととする。かかる記載は、焦点距離ｆ、有効径Ｄについても同様である。
かかるマイクロレンズ拡散板３００は、光源１０１からの光を拡散する所謂インテグレーター光学系の一部を構成する。

コンデンサーレンズ３０１は、「マイクロレンズ拡散板３００を透過した光が入射する光学系」としての機能を有している。

コンデンサーレンズ３０１の入射角：２αとすると、拡散角２θは、すべてのマイクロレンズ３１について数式１を満たす。本実施形態でいうコンデンサーレンズ３０１の入射角とは、マイクロレンズ拡散板３００よりも光の出射方向側にある光学系の入射角（全角）のことを示している。
なお、本実施形態では、コンデンサーレンズ３０１をマイクロレンズ拡散板３００の後段に配置したために、２αをコンデンサーレンズ３０１の入射角であるとしたが、コンデンサーレンズ３０１の他、空間光変調素子１０２や、レンズユニット２００までを含めた光学系を、「マイクロレンズ拡散板３００を透過した光が入射する光学系」として扱い、かかる出射方向側の光学系全体の入射角：２αとしても良い。

かかる構成により、拡散角２θの範囲内における光線のスペックルを低減する。

また、マイクロレンズ３１のＦナンバー：ＦＮは、図４から明らかなように、焦点距離ｆと有効径Ｄと拡散角２θとを用いて数式２で表すことができる。

この点について詳しく説明する。
従来のレンズ拡散板８００においては、図９に示すように、略同一の焦点距離ｆと有効径Ｄとを有するマイクロレンズ８０が等間隔で整列して配置される。
拡散板等で発生する投射される画像のにじみを抑えるためには、レンズ拡散板８００に形成されるマイクロレンズ８０の配置は、等間隔に整列して配置されることが加工しやすさ等の点から望ましい。
かかる構成のレンズ拡散板８００において、特に光源としてレーザーのようなコヒーレンスの良い単色光源を用いるときには、マイクロレンズ８０のレンズピッチが回折格子のような働きを示すため、回折光の強め合い・弱め合いの強弱によって干渉縞が形成される。
このような干渉縞は、画像の濃淡を発生させるとともにスペックルをも生じ、観察者に対して著しく表示画像の劣化やちらつきを感じる大きな原因の一つとなっていた。

かかる問題に対して、例えばマイクロレンズ８０の焦点距離ｆや有効径Ｄを変化させる構成が考えられるが、単に異なる焦点距離や有効径を設定するのみでは、後段に配置された光学系による集光後の像がにじんでしまうなどの問題が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、マイクロレンズ拡散板３００は、隣接するマイクロレンズ３１と有効径Ｄあるいは焦点距離ｆが異なり、マイクロレンズ拡散板３００を透過した光が入射するコンデンサーレンズ３０１の最大入射角：２α、マイクロレンズ３１の拡散角２θとしたとき、いずれも条件式（１）：２θ≦２αを満たす。
かかる構成により、干渉縞やスペックルコントラストを低減するとともに、発散角度制御を行うことで後段で使用する光学系の性能や効率を向上させる。

具体的には、図４に示すマイクロレンズ３１について、ｆ_１／Ｄ_１≠ｆ_２／Ｄ_２≠ｆ_３／Ｄ_３・・・・である。

このように、マイクロレンズ拡散板３００の発散角２θを、後段のコンデンサーレンズ３０１の入射角あるいはレンズユニット２００に備えられる光学系に合わせて設定することで、干渉縞やスペックルコントラストを低減するとともに、発散角度制御を行うことで後段で使用する光学系の性能や効率を向上させる。

そこで、本実施形態では、数式１と数式２を満たすマイクロレンズ３１の面形状を非球面化することにより、拡散光量の分布を図５（ａ）あるいは図５（ｂ）のように制御する。
かかる構成により、マイクロレンズ拡散板３００を透過した光の強度分布たる拡散光量分布を、所望の形状に制御することができる。

なお、本実施形態においては、かかるマイクロレンズ拡散板３００を構成するマイクロレンズ３１の表面形状を非球面形状としたが、かかる構成に限定されるものではない。
例えば、非球面形状以外であっても、球面、アナモフィック面、円錐面、角錐面など、所望の光の強度分布に応じて適切に選択することができる。

さらに、かかる構成の第１の変形例として、図６に画像投影装置１００’を示す。
画像投影装置１００’において、第１の実施形態と共通の部分については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

画像投影装置１００’は、マイクロレンズ拡散板３００よりも光の入射方向側すなわち上流側に配置された光学素子として、位相制御素子３２を有している。
位相制御素子３２は、本実施形態では、マイクロレンズ３１と対向するように配置され、透過する光の偏光を制御する波長板である。
なお、かかる構成に限定されるものではなく、旋光板、位相変化素子であっても良いし、板状の光学素子にも限られない。

位相制御素子３２は、図７に示すように、マイクロレンズ３１の有効径Ｄ内部に、複数の異なる光学特性を備えた位相制御部３３が分布する態様で配置される。図７においては、位相制御部３３のうち、最も特徴的な部分の長さを有効径：Ｄ’として表記するが、例えば位相制御部３３の形状は、長方形、正方形、円形状など、様々な形状を取って良く、また有効径：Ｄ’も種々の値をとることができる。
かかる構成により、より様々な拡散光量分布のパターンを積極的に生成することができる。なお、かかる構成に限定されるものではなく、位相制御部３３がマイクロレンズ３１の有効径Ｄより小さいか、等しいか、あるいは大きいものであっても良い。

さて、スペックルを効果的に低減するためには、入射するビーム径：Ｂに対して、マイクロレンズ３１の有効径Ｄが十分に小さいことが望ましい。また、さらに好ましくは、数式（３）の範囲内で設定されることが望ましい。

本実施形態においては、入射するビーム径：Ｂ＝５００μｍとし、２５μｍ＜Ｄ＜２５０μｍの範囲内で設定したが、かかる構成に限定されるものではなく、求められる設計値と、ビーム径Ｂとによって適宜変更して良い。例えば、マイクロレンズ３１の有効径：Ｄは、５０μｍ〜５ｍｍ程度の範囲内でビーム径：Ｂに合わせて適宜設定される。
かかる有効径：Ｄは、数式（３）の範囲内であれば、ビーム径：Ｂに対して小さい方が、回折光やスペックルの低減に効果が大きい。

同様に、位相制御部３３の有効径：Ｄ’についても、数式（４）の範囲内で設定されることが望ましい。

また、かかる位相制御素子３２は、マイクロレンズ拡散板３００よりも光の入射側に配置されることが最も望ましいが、マイクロレンズ拡散板３００よりも光の出射側であって、レンズユニット２００よりも入射側に配置されるとしても良い。
ただしその場合には、図８に示すように、位相制御素子３２は、マイクロレンズ３１の有効径Ｄに対向する部分が、同一の光学特性を備えることが望ましい。言い換えると、画像投影装置１００’は、マイクロレンズ３１の有効径Ｄと等しいか、あるいは大きい位相制御部３３を有している。
かかる構成により、マイクロレンズ３１から出射した光について同一の位相制御が行われるから、画像投影装置１００’から出射される光の拡散光量分布を積極的に生成することができる。

また、他の実施形態として、図１０に示すように、複数のマイクロレンズ拡散板３００ａ、３００ｂをコンデンサーレンズ３０１の入射側に配置する構成としても良い。
このような場合には、マイクロレンズ拡散板３００ａと、マイクロレンズ拡散板３００ｂとの合成された拡散角よりも、コンデンサーレンズ３０１の最大入射角が大きくなるように設定される。
具体的には、マイクロレンズ拡散板３００ａ、３００ｂの拡散角２θが何れも３０度のとき、コンデンサーレンズ３０１の入射角２αは、６０度以上である。
すなわち、かかる構成においても、コンデンサーレンズ３０１の入射角２αとマイクロレンズ拡散板３００ａ、３００ｂのそれぞれの拡散角２θとは、条件式（１）を満足する。
かかる構成により、干渉縞やスペックルコントラストを低減するとともに、発散角度制御を行うことで後段で使用する光学系の性能や効率を向上させる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、画像投影装置は、１つの液晶パネルでカラーの画像情報を与える１板式のカラープロジェクタとしたが、これに限らず、３板式のカラープロジェクタであっても良いし、モノクロの画像投影装置であってもよい。
また、マイクロレンズ拡散板や、位相制御素子は、それぞれあるいは一方が、光の入射方向たる光軸方向Ｚに対して垂直方向に揺動する構成としても良い。
ここで揺動とは、例えば光軸に直交するＸ方向あるいはＹ方向への往復移動や、円運動を含んで良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

３１ 微小光学素子（マイクロレンズ）
３２ 位相制御素子
１００（１００’） 画像投影装置
２００ 光学系（レンズユニット）
３００ 拡散板（マイクロレンズ拡散板）
３０１ 光学系（コンデンサーレンズ）
２θ 拡散角
Ｂ 入射するビーム径（入射する光の有効径）
Ｄ １つのマイクロレンズの有効径
Ｄ’ １つの位相制御素子の有効径
ｆ １つのマイクロレンズの焦点距離（焦点距離）
ＦＮ Ｆナンバー

特許第５３５０１６３号公報 特許第３９６１７９７号公報 特開２００２−１９６２０６号公報

Claims (3)

1. 複数の微小光学素子が配列された拡散板において、
   前記微小光学素子は、隣接する微小光学素子と有効径あるいは焦点距離が異なり、
   当該拡散板を透過した光が入射する光学系の最大入射角：２α、前記微小光学素子の拡散角２θとしたとき、いずれも
   条件式（１）：２θ≦２α
   を満たすことを特徴とする拡散板。
2. 請求項１に記載の拡散板において、
   前記微小光学素子の表面形状が、球面、非球面、アナモフィック面、円錐面、角錐面の何れかであり、凹面、凸面、あるいはその両方で構成されても良く、
   前記光の拡散光量分布を制御することを特徴とする拡散板。
3. 請求項１または２に記載の拡散板と、
   前記微小光学素子と対向して設けられた位相制御部を備える位相制御素子と、を有し、
   前記微小光学素子の有効径：Ｄと、前記位相制御素子の有効径Ｄ’と、は、当該光学系に入射される前記光の有効径：Ｂに対して、
   Ｂ／２０＜Ｄ＜Ｂ／２
   Ｂ／２０＜Ｄ’＜Ｂ／２
   を満たすことを特徴とする光学系。

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