JP2020052342A - 光学機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】リレー光学系を用いて、従来よりも小型で低コストな光学機器を提供する。【解決手段】光学機器（１００）は、光源部（２０）と、少なくとも１つの第１光変調素子（１１）と、光源部からの光を用いて第１光変調素子を照明する照明光学系（６０）と、光源部と第１光変調素子との間の光路上の所定の面と第１光変調素子の面とが共役になるように配置されたリレー光学系（２１）とを有し、リレー光学系は、所定の面から第１光変調素子へ向かう方向へ順に、正のパワーを有する第１反射面（８）、負のパワーを有する第２反射面（９）、および、正のパワーを有する第３反射面（１０）を有し、第１反射面の曲率半径、第２反射面の曲率半径、および、第３反射面の曲率半径は、所定の条件式を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投射装置等の光学機器に関する。
夜間離着陸の訓練を行うためのフライトシミュレータに用いられるプロジェクタ（画像投射装置）には、周囲は暗いが滑走路上の誘導灯は点灯している夜間の状況をよりリアルに再現するために従来よりも高いコントラストが求められている。
特許文献１には、従来よりも高いコントラストを実現するため、照明光学系にリレー光学系を用いたプロジェクタが開示されている。特許文献１に開示されたプロジェクタでは、画像形成をするための赤色光、緑色光、青色光用の液晶パネルに加えて、第４液晶パネルが照明光学系と色分離合成系との間に設けられている。また、第４液晶パネルと赤色光、緑色光、青色光用の液晶パネルが結像関係になるようにリレー光学系が配置されている。
特許文献２には、第２のＤＭＤの画像表示面を第１のＤＭＤの画像表示面に再結像させるリレー光学系が開示されている。このリレー光学系は、正負正のパワーを有するミラーで構成されるオフナー光学系と収差補正のために自由曲面を有する光学素子を組み合わせて構成されている。
特開２００７−１２１６９３号公報 特開２０１４−０６７０３１号公報
特許文献１には、第４液晶パネルからの光をレンズ系により赤色光、緑色光、青色光用の液晶パネルに再結像させるリレー光学系が開示されているが、リレー光学系で所定の性能を確保するには全長を長くする必要があるため、装置が大型化する。また、色収差を改善するには複数の高価なガラスを組み合わせる必要があるため、高コスト化する。
特許文献２に開示されたリレー光学系では、高コストな自由曲面を有する素子を用いるとともに、第１のＤＭＤと第２のＤＭＤとを平行に配置する（照明系と投射系の光軸とを平行にする）必要がある。その結果、リレー光学系と照明系との干渉を避けるためにリレー光学系が大きくなってしまう。
そこで本発明は、リレー光学系を用いて、従来よりも小型で低コストな光学機器を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての光学機器は、光源部と、少なくとも１つの第１光変調素子と、前記光源部からの光を用いて前記第１光変調素子を照明する照明光学系と、前記光源部と前記第１光変調素子との間の光路上の所定の面と前記第１光変調素子の面とが共役になるように配置されたリレー光学系とを有し、前記リレー光学系は、前記所定の面から前記第１光変調素子へ向かう方向へ順に、正のパワーを有する第１反射面、負のパワーを有する第２反射面、および、正のパワーを有する第３反射面を有し、前記第１反射面の曲率半径、前記第２反射面の曲率半径、および、前記第３反射面の曲率半径は、所定の条件式を満足する
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
本発明によれば、リレー光学系を用いて、従来よりも小型で低コストな光学機器を提供することができる。
第１の実施形態における画像投射装置の構成図である。 第１の実施形態における画像投射装置の変形例である。 各数値実施例におけるリレー光学系の非点収差の収差図である。 第２の実施形態における画像投射装置の構成図である。 第３の実施形態における画像投射装置の構成図である。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプロジェクタ（画像投射装置、光学機器）の構成について説明する。図１は、画像投射装置１００の構成図である。
光源部２０は、発光管１および放物面リフレクタ２を有する高圧水銀ランプである。発光管１から様々な方向に出射した複数の光は、放物面リフレクタ２によって平行光化されて照明光学系６０へ向かう。なお、光源部２０として高圧水銀ランプの代わりに固体光源ユニットを用いてもよい。固体光源ユニットとは、青色光を射出する青色レーザダイオード（青色ＬＤ）と青色ＬＤからの青色光の一部を黄色光に変換する黄色蛍光体とを有する光源ユニットである。または、固体光源ユニットとは、青色ＬＤ、赤色ＬＤ、および、緑色ＬＤを備えた光源ユニットのように固体光源を有する光源ユニットである。すなわち光源部２０は、互いに波長が異なる第１色光、第２色光、および、第３色光を含む照明光を出射する構成であれば、高圧水銀ランプまたは固体光源ユニットのいずれでもよい。
光源部２０からの光は、集光レンズ３でロッドインテグレータ４の入射面４Ａに集光される。ロッドインテグレータ４に入射した光は、その内部で反射を繰り返し、出射面４Ｂに導かれる。ロッドインテグレータ４の内部で光の反射を繰り返すことで、出射面４Ｂに略均一な光量分布を作ることができる。射出面４Ｂからの光は、輝度変調パネルである第２のＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス、第２光変調素子）７と略共役な関係になるように構成された第１レンズ５および第２レンズ６を介して、第２のＤＭＤ７に照明される。本実施形態において、集光レンズ３、ロッドインテグレータ４、第１レンズ５、および、第２レンズ６により照明光学系６０が構成される。
第２のＤＭＤ７は、光源部２０と第１のＤＭＤ１１との間の光路上の所定の面の位置近傍に配置されている。第２のＤＭＤ７は、画像を構成する複数の画素が微小ミラーで構成された画像表示素子であり、微小ミラーが一面に敷き詰められて一つの平面としての画像表示領域を形成している。第２のＤＭＤ７において、複数の微小ミラーが画像情報に対応してＯＮ状態とＯＦＦ状態の２つの傾き位置にスイッチされる。第２のＤＭＤ７は、入射光と反射光の光線角度を切り替えることで光を変調する。なお、輝度変調パネルである第２のＤＭＤ７に代えて、透過型の液晶パネルや反射型の液晶パネルを用いてもよい。または、時間的に回折パターンを変化させる回折光学素子を用いてもよい。
第２のＤＭＤ７に照明された光は、第２のＤＭＤ７への入力信号に基づいて輝度変調される。輝度変調された光は、リレー光学系２１に入射する。リレー光学系２１は、正のパワーを有する第１ミラー（第１反射面）８、負のパワーを有する第２ミラー（第２反射面）９、および、正のパワーを有する第３ミラー（第３反射面）１０を有する。リレー光学系２１に入射した光は、第１ミラー８、第２ミラー９、および、第３ミラー１０を介して、ＴＩＲプリズム（内部全反射プリズム）１３で全反射され、第１のＤＭＤ（第１光変調素子）１１に照明される。第１のＤＭＤ１１は、画像を構成する複数の画素が微小ミラーで構成された画像表示パネル（画像表示素子）であり、微小ミラーが一面に敷き詰められて一つの平面としての画像表示領域を形成している。
ＴＩＲプリズム１３は、第３ミラー１０と第１のＤＭＤ１１との間の光路上に波長に応じて光を分離する色分離手段であり、エアーギャップを有する２つのプリズムを有する光学素子である。リレー光学系２１は、第２のＤＭＤ７（光源部２０と第１のＤＭＤ１１との間の光路上の所定の面）と第１のＤＭＤ１１（の面）とが略共役になるように（照明光学系６０の所定の像と第１のＤＭＤ１１とが略共役の関係になるように）配置されている。第１のＤＭＤ１１で変調された光は、ＴＩＲプリズム１３を透過し、投射レンズ１２を介して、不図示のスクリーン（被投射面）に投射される。投射レンズ１２は、第１のＤＭＤ１１からの光を被投射面に投射する投射光学系である。
本実施形態では、第１のＤＭＤ１１への入射光と第１のＤＭＤ１１からの出射光とをＴＩＲプリズム１３で分離しているが、これに限定されるものではない。例えば、投射レンズ１２のバックフォーカスを十分長くして、光線が完全に分離した位置に投射レンズ１２を配置するように構成してもよい。また図１では第１のＤＭＤ１１を１つのみ示しているが、２つ以上のＤＭＤで構成してもよい。本実施形態では説明していないが、画像表示パネルが２枚以下の場合、カラーホイールやＬＤの間欠点灯等を用いて、時分割で少なくとも３原色であるＲＧＢを表示する手段が必要になる。また本実施形態では、第１ミラー８と第３ミラー１０とを別部品として構成しているが、第１ミラー８と第３ミラー１０とを一体化してもよい。特に、第１ミラー８と第３ミラー１０との曲率半径が同じ場合には有用である。
リレー光学系２１の物体面を第２のＤＭＤ７とし、像面を第１のＤＭＤ１１とすると、第１のＤＭＤ１１に対して所定の角度で光を入射させる必要がある。このため、第１のＤＭＤ１１の画像表示領域で所定の解像性能を得るには、像面すなわち第１のＤＭＤ１１を傾ける必要がある。像面を傾けるには、リレー光学系２１で像面湾曲を発生させる必要があり、リレー光学系２１のペッツバール和が０ではない所定の値を有する必要がある。
リレー光学系２１のペッツバール和Ｐは、以下の式（１）で定義される。
Ｐ＝１／ｆ１＋１／ｆ２＋１／ｆ３
＝２／Ｒ１−２／Ｒ２＋２／Ｒ３
＝２／Ｒ２＊（Ｒ２（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）−１） ・・・（１）
式（１）において、ｆ１（＞０）は第１ミラー８の焦点距離、ｆ２（＜０）は第２ミラー９の焦点距離、ｆ３（＞０）は第３ミラー１０の焦点距離である。また、Ｒ１（＞０）は第１ミラー８の曲率半径、Ｒ２（＞０）は第２ミラー９の曲率半径、Ｒ３（＞０）は第３ミラー１０の曲率半径である。
本実施形態のリレー光学系２１は、以下の条件式（２）または条件式（３）を満足するように構成されている。
Ｒ２＊（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）≧１．０５ ・・・（２）
Ｒ２＊（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）≦０．９５ ・・・（３）
条件式（２）の下限または条件式（３）の上限を逸脱すると、リレー光学系２１で像面湾曲がほとんど発生しないため、第１のＤＭＤ１１の画像表示領域でピントが合わなくなり所定の解像度を得ることができない。
より好ましくは、リレー光学系２１は、以下の条件式（４）または条件式（５）を満足する。
Ｒ２＊（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）≧１．４０ ・・・（４）
Ｒ２＊（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）≦０．８０ ・・・（５）
条件式（４）を満たすＲ２をＲ２Ａとし、条件式（５）を満たすＲ２をＲ２Ｂとすると、Ｒ２Ａ＞Ｒ２Ｂの関係がある。ペッツバール和Ｐは、式（１）よりＲ２に逆比例するため、所定のペッツバール和Ｐになる範囲は１以上と１以下とで異なる。
また好ましくは、リレー光学系２１は、以下の条件式（６）を満足する。
０．７０≦Ｒ１／Ｒ３≦１．３ ・・・（６）
条件式（６）の上限または下限を逸脱すると、球面収差等の収差が大きく発生し、所望の解像性能を得ることができない。
より好ましくは、リレー光学系２１は、以下の条件式（７）を満足する。
０．８０≦Ｒ１／Ｒ３≦１．２０ ・・・（７）
である。
好ましくは、条件式（２）を満足するリレー光学系２１は、以下の条件式（８ａ）および条件式（８ｂ）を満足する。
Ｒ１／Ｄｏ≧１．０４ ・・・（８ａ）
Ｒ３／Ｄｉ≧１．０４ ・・・（８ｂ）
条件式（８ａ）、（８ｂ）において、Ｄｏは第２のＤＭＤ７（すなわち所定の面）から第１ミラー８までの空気換算距離、Ｄｉは第３ミラー１０から第１のＤＭＤ１１までの空気換算距離である。
より好ましくは、条件式（２）を満足するリレー光学系２１は、以下の条件式（９ａ）および条件式（９ｂ）を満足する。
Ｒ１／Ｄｏ≧１．１０ ・・・（９ａ）
Ｒ３／Ｄｉ≧１．１０ ・・・（９ｂ）
好ましくは、条件式（３）を満足するリレー光学系２１は、以下の条件式（１０ａ）および条件式（１０ｂ）を満足する。
Ｒ１／Ｄｏ≦０．９６ ・・・（１０ａ）
Ｒ３／Ｄｉ≦０．９６ ・・・（１０ｂ）
より好ましくは、条件式（３）を満足するリレー光学系２１は、以下の条件式（１１ａ）および条件式（１１ｂ）を満足する。
Ｒ１／Ｄｏ≦０．９０ ・・・（１１ａ）
Ｒ３／Ｄｉ≦０．９０ ・・・（１１ｂ）
図２は、本実施形態の画像投射装置１００の変形例である。図２に示されるように、第２のＤＭＤ７と第１ミラー８との間の光路中に折り返しミラー２２を設け、第３ミラー１０と第１のＤＭＤ１１との間の光路中に折り返しミラー２３を設けてもよい。
以下、リレー光学系２１の数値実施例１〜８を示す。図３は、各数値実施例におけるリレー光学系２１の縦収差図（非点収差の収差図）である。図３において、実線はメリジオナル成分、鎖線はサジタル成分をそれぞれ示す。
（数値実施例１）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 75.0 37.5 1.0 第１ミラー
2 58.9 37.5 1.0 第２ミラー
3 75.0 62.0 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 1.570
R1/R3 ＝ 1.00
R1/Do ＝ 1.210
R3/Di ＝ 1.210

（数値実施例２）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 65.0 32.5 1.0 第１ミラー
2 36.1 32.5 1.0 第２ミラー
3 65.0 62.0 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 1.120
R1/R3 ＝ 1.00
R1/Do ＝ 1.048
R3/Di ＝ 1.048

（数値実施例３）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 59.0 29.5 1.0 第１ミラー
2 26.6 29.5 1.0 第２ミラー
3 59.0 62.0 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 0.901
R1/R3 ＝ 1.00
R1/Do ＝ 0.952
R3/Di ＝ 0.952

（数値実施例４）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 54.0 27.0 1.0 第１ミラー
2 20.2 27.0 1.0 第２ミラー
3 54.0 62.0 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 0.749
R1/R3 ＝ 1.00
R1/Do ＝ 0.871
R3/Di ＝ 0.871

（数値実施例５）
R d nd 備考
物体 0 63.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 52.0 26.0 1.0 第１ミラー
2 20.4 26.0 1.0 第２ミラー
3 53.4 56.4 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 0.776
R1/R3 ＝ 0.973
R1/Do ＝ 0.825
R3/Di ＝ 0.947

（数値実施例６）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 80.0 40.0 1.0 第１ミラー
2 72.1 40.0 1.0 第２ミラー
3 74.8 57.9 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 1.865
R1/R3 ＝ 1.070
R1/Do ＝ 1.290
R3/Di ＝ 1.292

（数値実施例７）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 74.0 37.4 1.0 第１ミラー
2 61.3 37.4 1.0 第２ミラー
3 70.1 53.6 1.0 第３ミラー
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 1.704
R1/R3 ＝ 1.056
R1/Do ＝ 1.194
R3/Di ＝ 1.307

（数値実施例８）
R d nd 備考
物体 0 62.0 1.0 第２のＤＭＤ
1 75.0 37.5 1.0 第１ミラー
2 58.9 37.5 1.0 第２ミラー
3 75.0 47.0 1.0 第３ミラー
4 0 20.0 1.516 TIRプリズム
5 0 1.7 1.0 空気
像 0 0 - 第１のＤＭＤ
（条件式）
R2*(1/R1＋1/R3） ＝ 1.570
R1/R3 ＝ 1.000
R1/Do ＝ 1.210
R3/Di ＝ 1.212

（第２の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態における画像投射装置（光学機器）について説明する。図４は、本実施形態における画像投射装置２００の構成図である。画像投射装置２００は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に対応する３枚の第１のＤＭＤ（第１光変調素子）１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを備えて構成される。
図４において、３１はＴＩＲプリズム、３２はクロスダイクロイックプリズムである。リレー光学系２１からの光は、ＴＩＲプリズム３１で全反射され、クロスダイクロイックプリズム３２で赤光、緑光、および、青光に分離される。赤光は第１のＤＭＤ１１Ｒ、緑光は第１のＤＭＤ１１Ｇ、青光は第１のＤＭＤ１１Ｂにそれぞれ導かれ、画像信号に基づいて変調される。変調された光は、クロスダイクロイックプリズム３２で合成され、投射レンズ１２を介して不図示のスクリーンに投射される。
（第３の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施形態における画像投射装置（光学機器）について説明する。図５は、本実施形態における画像投射装置３００の構成図である。
光源装置（光源部）５０は、複数の光源４１および複数のコリメータレンズ４２を有する。複数の光源４１はそれぞれ固体光源（励起光源）であり、本実施形態ではレーザーダイオード（ＬＤ）である。複数の光源４１から放出された第１色光は、複数のコリメータレンズ４２によりコリメートされ、集光レンズ４３により蛍光体４４に集光される。蛍光体４４から発光された第２色光および蛍光体４４で吸収されなかった第１色光は、ロッドインテグレータ（ロッドインテグレータ光学系）４５に入射する。
リレー光学系５１は、正のパワーを有する第１ミラー４６、負のパワーを有する第２ミラー４７、および、正のパワーを有する第３ミラー４８を有する。ロッドインテグレータ４５から出射した光は、リレー光学系５１の第１ミラー４６、第２ミラー４７、および、第３ミラー４８を介して、ＴＩＲプリズム５３で全反射され、画像表示パネルであるＤＭＤ（第１光変調素子）４９に照明される。ＤＭＤ４９で変調された光は、ＴＩＲプリズム５３を透過し、投射レンズ５２を介して、不図示のスクリーンに投射される。
本実施形態では１つのＤＭＤ４９のみを示しているが、２枚以上のＤＭＤを有していてもよい。なお、ＤＭＤが２枚以下の場合、カラーホイールやＬＤの間欠点灯等を利用して、時分割で少なくとも３原色であるＲ、Ｇ、Ｂの各色を表示する表示手段が必要である。また本実施形態において、蛍光体４４はロッドインテグレータ４５から分離しているが、これに限定されるものではなく、蛍光体４４をロッドインテグレータ４５の入射面に塗布してもよい。また本実施形態において、ロッドインテグレータ４５に代えて、第１フライアイレンズおよび第２フライアイレンズを含むコンデンサレンズを用いてもよい。
各実施形態によれば、リレー光学系を用いて、従来よりも小型で低コストな光学機器を提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば各実施形態では光学機器として画像投射装置を説明したが、これに限定されるものではなく、各実施形態は露光装置等の画像投射装置以外の光学機器にも適用可能である。また各実施形態において、第１ミラーと第２ミラーは互いに分離しているが、これに限定されるものではなく、第１ミラーと第２ミラーを一体的に構成してもよい。
８ 第１ミラー（第１反射面）
９ 第２ミラー（第２反射面）
１０ 第３ミラー（第３反射面）
２０ 光源部
１１ 第１のＤＭＤ（第１光変調素子）
２１ リレー光学系
６０ 照明光学系
１００ 画像投射装置（光学機器）

Claims (13)

  1. 光源部と、
    少なくとも１つの第１光変調素子と、
    前記光源部からの光を用いて前記第１光変調素子を照明する照明光学系と、
    前記光源部と前記第１光変調素子との間の光路上の所定の面と前記第１光変調素子の面とが共役になるように配置されたリレー光学系と、を有し、
    前記リレー光学系は、前記所定の面から前記第１光変調素子へ向かう方向へ順に、正のパワーを有する第１反射面、負のパワーを有する第２反射面、および、正のパワーを有する第３反射面を有し、
    前記リレー光学系は、前記第１反射面の曲率半径をＲ１、前記第２反射面の曲率半径をＲ２、および、前記第３反射面の曲率半径をＲ３とするとき、
    Ｒ２＊（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）≧１．０５
    または、
    Ｒ２＊（１／Ｒ１＋１／Ｒ３）≦０．９５
    なる条件式を満足することを特徴とする光学機器。
  2. 前記リレー光学系は、
    ０．７０≦Ｒ１／Ｒ３≦１．３０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
  3. 前記リレー光学系は、前記所定の面から前記第１反射面までの空気換算距離をＤｏ、および、前記第３反射面から前記第１光変調素子までの空気換算距離をＤｉとするとき、
    Ｒ１／Ｄｏ≧１．０４かつＲ３／Ｄｉ≧１．０４
    または、
    Ｒ１／Ｄｏ≦０．９６かつＲ３／Ｄｉ≦０．９６
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光学機器。
  4. 前記第１光変調素子は、複数の画素が微小ミラーで構成された画像表示素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学機器。
  5. 前記第３反射面と前記第１光変調素子との間の光路上に波長に応じて光を分離する色分離手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学機器。
  6. 前記色分離手段は、ＴＩＲプリズムであることを特徴とする請求項５に記載の光学機器。
  7. 前記所定の面の位置近傍に配置された第２光変調素子を更に有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学機器。
  8. 前記第２光変調素子は、複数の画素が微小ミラーで構成された画像表示素子であることを特徴とする請求項７に記載の光学機器。
  9. 前記所定の面は、前記照明光学系の内部の面であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学機器。
  10. 前記第１反射面は、第１ミラーの反射面であり、
    前記第２反射面は、第２ミラーの反射面であり、
    前記第３反射面は、第３ミラーの反射面である、ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学機器。
  11. 前記第１ミラーと前記第２ミラーは、一体的に構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学機器。
  12. 前記第１光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を更に有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光学機器。
  13. 前記光学機器は、画像投射装置であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光学機器。
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