JP2020020822A - 照明光学系およびこれを有する投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタのＮＩＲモード時に素子や光源等へ損傷を与えずに可視光を適切に光学系外に排除する照明光学系を提供すること。【解決手段】波長４００〜６７０ｎｍを第一の波長領域、波長７００〜１０００ｎｍを第二の波長領域としたとき、第一の波長領域と第二の波長領域の両方の一部または全部にスペクトル成分を持つ光を放出する光源と、光変調素子と、前記光源から放出される前記光の一部または全部を前記光変調素子に導く光学系と、を備える照明装置であって、光学系が、光源から放出される前記光の第二の波長領域成分の一部または全部を反射しかつ可視域の光の９０％以上を透過する第一のミラーを含んでおり、前記第一のミラーを反射した光が前記光変調素子に導かれることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光変調素子を照明する照明光学系と、これを有する投射型表示装置に関する。

近年、暗視ゴーグルを用いたシミュレーション用途のため、波長６７０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の近赤外（ＮＩＲ）光での画像生成が可能なプロジェクタが開発されている。

可視光とＮＩＲ光を同時に投影する方法として、特許文献１は、４枚のパネルを用いることによって、可視の画像に加えてＮＩＲの画像を生成できる投射光学系を提案している。

特開２００８−１７６１９５号公報

暗視ゴーグルを用いたシミュレーションを行うことを目的とする場合、近赤外投射時（ＮＩＲモード時）には、実際の夜の環境を再現するため、暗視ゴーグル非着用時には画像が見えないことが要請される。つまり、ＮＩＲモード時には投射された画像に可視光が存在しないことが望ましい。

しかし、従来の可視光源から放出される光のＮＩＲ成分をＮＩＲ光源として用いる場合、光源からはＮＩＲ光よりも多くの可視光が放出される。この可視光が適切に光学系外に除去されないと、ＮＩＲモード時にも画像に可視光が現れてしまう。

可視光の除去手段として可視光を吸収する光学素子や吸収体を用いると、熱により光学素子や吸収体の破損が起こってしまうという問題がある。また、可視光を反射する光学素子を用いると、反射した可視光が光源部等に戻ってしまい、やはり光源やその他光学系の破損を招く。

本発明は、ＮＩＲモード時に素子や光源等へ損傷を与えずに可視光を適切に光学系外に除去可能な照明光学系、およびそれを有する投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、
波長４００〜６７０ｎｍを第一の波長領域、波長７００〜１０００ｎｍを第二の波長領域としたとき、第一の波長領域と第二の波長領域の両方の一部または全部にスペクトル成分を持つ光を放出する光源と、光変調素子と、前記光源から放出される前記光の一部または全部を前記光変調素子に導く光学系と、を備える照明装置であって、前記光学系が、前記光源から放出される前記光の第二の波長領域成分の一部または全部を反射しかつ可視域の光の９０％以上を透過する第一のミラーを含んでおり、前記第一のミラーを反射した光が前記光変調素子に導かれることを特徴とする。

本発明によれば、ＮＩＲモード時に可視光を適切に光学系外に除外する照明光学系、およびそれを有する投射型表示装置を提供することができる。

本発明の実施例１にかかる光学系を説明する模式図 本発明の実施例１に用いるビームブロックを説明する模式図 本発明の実施例１に用いるビームブロックを説明する模式図 本発明の実施例２にかかる光学系を説明する模式図 本発明の実施例３にかかる光学系を説明する模式図 本発明の実施例４にかかる光学系を説明する模式図 本発明の実施例４に用いる光学素子組４０１を説明する模式図 本発明の実施例４に用いる光学素子４０３および光学素子４０４を説明する模式図 本発明の実施例５にかかる光学系を説明する模式図

以下、本発明の実施形態における波長変換装置の構成例について図を用いて説明するが、本発明は以下に説明する実施形態の構成等によって何ら限定されるものではない。

図１は、実施例１の照明光学系の断面図である。光源１０１からの光はリフレクタ１０２で略平行光とされる。光源１０１として本実施例では超高圧水銀ランプを用いるが、固体レーザー光源と蛍光体を用いてもよいし、キセノンランプやＬＥＤを用いてもよい。

光学系１０３はパネル面上での照度分布をフラットにするための光インテグレータであり、本実施例では２枚１組のフライアイレンズを用いるが、ロッドレンズを用いてもよい。偏光変換素子１０４は光束の偏光を揃える素子である。光学素子１０５は第一のミラーであるホットミラーであり、波長７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のＮＩＲ光に対しては８０％以上の反射率を有し、かつ波長６７０ｎｍ以下の可視光に対しては９０％以上の透過率をもつ素子である。波長７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のＮＩＲ光に対する反射率は９５％以上であればさらに高効率でＮＩＲ光成分を利用することができ望ましい。また、可視光の混入によるＮＩＲ画像の劣化がさらに抑えるため、可視光に対する透過率は９７％以上であることがさらに望ましい。

ビームブロック１０６は、光学素子１０５を透過した可視光を吸収する素子である。本実施例ではビームブロック１０６の光吸収面で反射した光が元の光学系に戻らないよう光吸収面に傾斜を設けており、反射光が側面に導かれるようにしてある（図２）。光吸収面を円錐形状や四角錐形状など光線方向に対して傾斜する立体構造とすることにより、光吸収面での反射光を多方向へ導く形状としてもよい（図３）。

また、ビームブロック１０６入射部の開口形状を入射光束形状と略一致とすることにより、元の光学系へ戻る散乱光の量もなるべく抑えている。可視光の吸収に伴いビームブロック１０６の温度上昇が考えられるため、ビームブロック１０６にはヒートシンクや水冷設備を設けてもよい。

光学系１０７は１枚以上のレンズからなる系であり、パネル面上に光束を集光する集光光学系である。

パネルユニット１０８は光変調素子を含む画像生成部分であり、本実施例では液晶パネル１０９、ＰＢＳプリズム１１０と偏光板１１１からなる。ＰＢＳプリズム１１０を透過したＰ偏光の光は、液晶パネル１０９で変調を受ける。このとき偏光が変化しない成分は、パネルで反射した後もＰ偏光のままであり、ＰＢＳプリズム１１０を再度透過するため、投射系の方へ行かず、投射されない。液晶パネル１０９による変調で偏光が９０度変化する成分は、Ｓ偏光としてＰＢＳプリズム１１０へ戻され、ＰＢＳプリズム１１０で反射し、投射系１１２によって投射される。偏光板１１１は、ＰＢＳプリズムでわずかに反射してしまうＰ偏光成分を除去することにより、画像のコントラストを向上する。

本実施例の構成により、光源１０１の出力のうち、光学素子１０５の透過率に応じた可視光成分を光学系外に除外することが可能となり、光学素子を損傷することなくＮＩＲ画像に可視光成分が混入することを防ぐことができる。

図４に本発明の実施例２に構成を示す。本実施例では、実施例１の光学素子１０５を移動させることにより、並置している第二のミラーである光学素子２０１に入れ替えることが可能である。光学素子２０１は可視光を反射するミラーであり、可視光による画像生成が可能となる。小型化を図るため、光学素子１０５と光学素子２０１を並置せず、光学素子の取り外し、取り付けにより交換を行ってもよい。

また、本実施例では、パネルユニット１０８の代わりに色分解合成系２０２を用いる。色分解合成系２０２は、ダイクロイックミラー２０３、第一の偏光板２０４、第二の偏光板２０５、第一のＰＢＳプリズム２０６、第二のＰＢＳプリズム２０７、波長選択性位相板２０８、色合成プリズム２０９、赤用液晶パネル２１０、緑用液晶パネル２１１、青用液晶パネル２１２からなる。色分解合成系２０２を用いることにより、光学素子２０１使用時はカラー画像を生成することが可能となる。また、光学素子１０５使用時は、２１０，２１１，２１２の３枚のパネルのうち１枚以上を用いてＮＩＲ画像を生成することが可能である。

本実施例により、ＮＩＲモードと可視モードの切り替えが可能となる。

図５に本発明の実施例３の構成を示す。本実施例では、実施例１に加えて可視光反射フィルタ３０１が設けられる。可視光反射フィルタ３０１は、入射する光束のうち、可視光成分の９０％以上を反射し波長７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のＮＩＲ光に対しては８０％以上の透過率を有するよう設計されたフィルタであり、コールドミラーなどを用いる。このフィルタのＮＩＲ対する透過率は９０％以上であればさらに高効率でＮＩＲ成分を利用することができ望ましい。また、可視光の混入によるＮＩＲ画像の劣化がさらに抑えるため、可視光に対する反射率は９７％以上であることがさらに望ましい。

反射された可視光成分のほとんどは、光学素子１０５を透過し光学系外に除外される。さらにビームブロック３０２を置くことによって、除外された可視光を反射・散乱を抑えた状態でダンプしてもよい。

本実施例により、可視光反射フィルタ３０１を加えることによって、実施例１では光学系外に除外しきれず残ってしまった可視光成分のほとんどを除外することができる。

図６に本発明の実施例４の構成を示す。本実施例では、実施例２の光学素子１０５、光学素子２０１に代わって光学素子組４０１が用いられ、フィルタ組４０２が挿入されている。フィルタ組４０２は、可視光の９０％以上を反射する光学特性を持つ。図７に光学素子組４０１の概観図を示す。光学素子組４０１は、ミラー４０３と光学素子４０４の２枚から成り立つ。図８に示すように光学素子４０４はそれぞれ領域４０５と領域４０６を持つ。領域４０５はミラーであり、可視光とＮＩＲの両方を反射する光学特性を持つ。領域４０６は可視光に対して９０％以上の透過率を有し、かつ波長７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のＮＩＲ光に対しては８０％以上の反射率を有する。領域４０６の波長７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のＮＩＲ光に対する反射率は９０％以上であればさらに高効率でＮＩＲ光成分を利用することができ望ましい。また、可視光の混入によるＮＩＲ画像の劣化がさらに抑えるため、領域４０６の可視光に対する透過率は９７％以上であることがさらに望ましい。

本実施例では、光学素子４０３の領域４０５と光学素子４０４の領域４０６が重なるように配置し、フィルタ組４０２を系外に押し出すことにより、光学系全体は可視画像を生成する装置となる。このとき、光学素子組４０１は全体として可視光を反射するミラーとなっている。

光学素子４０３をスライドし、光学素子４０３が光学素子４０４の領域４０６と重ならないよう配置し、フィルタ組４０２を系内に挿入すると、光学系全体はＮＩＲ画像を生成する装置となる。このとき、光学素子組４０１は中央が可視光を透過するホットミラーとなる。光学素子４０３の領域４０５で反射してしまうわずかな可視光成分は、可視光反射フィルタ組４０２でカットできる。

本実施例により、モード切り替え時に必要な各素子の移動量を小さく抑えることができ、コンパクトな構成を実現できる。なお、本実施例ではモード切り替え時に必要な光学素子４０３の移動量を小さくするため、光学素子４０４に領域４０５と領域４０６の両方を設けたが、光学素子４０３の移動量が十分取れる場合には領域４０５はなくてもよい。

図９に本発明の実施例５の構成を示す。本実施例では、実施例４のフィルタ組４０２を光学軸に対して傾けている。この傾きの角度は、光学素子４０３の領域４０５で反射した可視光がフィルタ組４０２で反射した後、光学素子４０３および光学素子４０４の領域４０６に到達するよう調整される。その結果、この可視光成分は系外へ除外される。実施例３同様、ビームブロック５０１を設けてもよい。

本実施例により、実施例４において光学素子組４０１で反射されてしまう可視光成分を有効に除去することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１ 光源、１０２ リフレクタ、１０３ 光学系、１０４ 偏光変換素子、
１０５ 光学素子、１０６ ビームブロック、１０７ 光学系２、
１０８ パネルユニット、１０９ 液晶パネル、１１０ ＰＢＳプリズム、
１１１ 偏光板、１１２ 投射系、２０１ 光学素子２、２０２ 色分解合成系、
２０３ ダイクロイックミラー、２０４ 偏光板２、２０５ 偏光板３、
２０６ ＰＢＳプリズム２、２０７ ＰＢＳプリズム３、
２０８ 波長選択性位相板、２０９ 色合成プリズム、２１０ 赤用液晶パネル、
２１１ 緑用液晶パネル、２１２ 青用液晶パネル、
３０１ 可視光反射フィルタ、３０２ ビームブロック２、４０１ 光学素子組、
４０２ フィルタ組、４０３ ミラー、４０４ 光学素子３、４０５ 領域、
４０６ 領域２、５０１ ビームブロック３

Claims (10)

1. 波長４００〜６７０ｎｍを第一の波長領域、波長７００〜１０００ｎｍを第二の波長領域としたとき、第一の波長領域と第二の波長領域の両方の一部または全部にスペクトル成分を持つ光を放出する光源と、
   光変調素子と、
   前記光源から放出される前記光の一部または全部を前記光変調素子に導く光学系と、
   を備える照明装置であって、
   前記光学系が、前記光源から放出される前記光の第二の波長領域成分の一部または全部を反射しかつ可視域の光の９０％以上を透過する第一のミラーを含んでおり、前記第一のミラーを反射した光が前記光変調素子に導かれることを特徴とする照明装置。
2. 前記第一のミラーを透過した光がビームブロックによって除去される
   ことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第一のミラーを透過した光が到達する前記ビームブロックの光吸収面が、前記第一のミラーを透過した光の光線方向に対して傾いており、前記光吸収面を囲む側面を前記ビームブロックに備えることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 第一の波長領域の光を反射する第二のミラーと前記第一のミラーを入れ替えることにより第一の波長領域の光を前記光変調素子に導くことが可能なことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の照明装置。
5. 前記第一のミラーに加えて、前記光源から放出される前記光の第二の波長領域成分の一部または全部を反射しかつ可視域の光の９０％以上を透過する反射フィルタを前記光学系に有し、前記反射フィルタを透過した光が前記光変調素子に導かれることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の照明装置。
6. 第一の波長領域と第二の波長領域の両方の領域の一部または全部にスペクトル成分を持つ光を放出する光源と、
   光変調素子と、
   前記光源から放出される前記光の一部または全部を前記光変調素子に導く光学系と、
   を備える照明装置であって、
   前記光源から放出される前記光の第二の波長領域成分の一部または全部を反射しかつ第一の波長領域の光の９０％以上を透過する反射フィルタを前記光学系に有し、かつ前記光学系が第一の光学素子と第二の光学素子を含む複数の光学素子からなる切り替え可能ミラーを含んでおり、
   前記第一の光学素子の光入射面が可視域の光の９０％以上を反射する第一の領域を持っており、
   前記第二の光学素子の光入射面が可視域の光の９０％以上を透過する第二の領域を持っており、
   前記第一の光学素子と前記第二の光学素子の相対位置を変えることにより、前記切り替え可能ミラーに入射した第一の波長領域の光の９０％以上を反射するモードと、第一の波長領域の光の一部を透過するモードとが切り替え可能であり、
   前記切り替え可能ミラーを反射した光が前記光変調素子に導かれることを特徴とする照明装置。
7. 前記切り替え可能ミラーを透過した光がビームブロックによって除去されることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 前記切り替え可能ミラーを透過した光が到達する前記ビームブロックの光吸収面が、前記切り替え可能ミラーを透過した光の光線方向に対して傾いており、前記光吸収面を囲む側面を前記ビームブロックに備えることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記反射フィルタの面法線が光学軸に対して傾斜しており、前記反射フィルタを反射した第一の波長領域の光の一部が前記切り替えミラーを透過することを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか一項に記載の照明装置。
10. 請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の照明光学系を有する投射型表示装置。