JP2021081631A - 光学系、および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要光の影響を低減すると共に、光の利用効率が低下するのを抑制する光学系、および画像投射装置を提供すること。【解決手段】画像投射装置３００は、入射光２５０を異なる方向に出射する光変調素子１０３と、光源１０１から照射される光を光変調素子１０３に向けて出射する照明光学系３０１と、を備え、照明光学系３０１は、光路の上流側から配置される第１のフライアイレンズ１４Ａ、第２のフライアイレンズ１４Ｂと、フィールドレンズ１５を含み、フィールドレンズ１５よりも光路の上流側に、フィールドレンズ１５の有効径に入射する光を遮蔽する遮蔽部５０を備え、光源１０１から照射される光の光軸１０１Ａに直交する方向において、光軸１０１Ａは、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍから、遮蔽部５０と反対方向にずれている。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系、および画像投射装置に関する。

特許文献１では、ＤＭＤ（反射型変調素子）８における入射光とＯＮ方向の反射光とが重なる角度領域の光を不要光としてカットする略Ｄ字のアパーチャ６Ａ（干渉領域を取り除くとＤ字形状になる）を設けた画像表示装置を開示している。

特許文献２では、光変調素子を照射する光源から入射される光のうち、基体で反射されて投写光学系の入射口に入射する平面反射光となる光の波長成分を反射する波長選択フィルタ（遮光絞り）８０を備える投写型映像表示装置を開示している。

本発明は、不要光の影響を低減すると共に、光の利用効率が低下するのを抑制する光学系、および画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学系および画像投射装置は、入射光を異なる方向に出射する光変調素子と、光源から照射される光を前記光変調素子に向けて出射する照明光学系と、を備え、照明光学系は、光路の上流側から配置されるレンズアレイと、レンズを含み、レンズよりも光路の上流側に、レンズの有効径に入射する光を遮蔽する遮蔽部を備え、光源から照射される光の光軸に直交する方向において、前記光軸は、レンズの有効径の中心位置から、遮蔽部と反対方向にずれている。

本発明によれば、不要光の影響を低減すると共に、光の利用効率が低下するのを抑制する光学系、および画像投射装置を提供することができる。

本発明の一実施形態としての画像投射装置３００を示す断面図である。 図１に示した画像投射装置３００の照明光学系３０１の光軸１０１Ａに垂直な断面図である。 図１に示した画像投射装置３００の変形例を示す断面図である。

図１は、本発明の一実施形態としての画像投射装置を示す断面図である。

画像投射装置３００は、フロント投射型プロジェクタであり、スクリーンに画像を投射する。画像投射装置は、自動車に搭載されることを想定しているが、これに限られるものではなく、様々な用途に用いることが可能であり、バイクや航空機などに搭載することもできる。

図１に示す画像投射装置３００（光学系）は、光源ユニット１１と、照明光学系３０１と、フィールドレンズ１７と、光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂと、光変調素子１０３と、投射光学系１０４とを備える。

光源ユニット１１は光源１０１と、コリメートレンズ１２からなり、
前記光源１０１は、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３つの色と１対１に対応する３つの色光源を含んでおり、反射する光の波長および透過する波長の光が予め定められているダイクロイックミラーを含んでもよい。

照明光学系３０１は、光路の上流側から順次離間して配置される第１のフライアイレンズ１４Ａ、第２のフライアイレンズ１４Ｂ、フィールドレンズ１５、折り返しミラー１６を含み、光源１０１から照射される照射光２５０を、フィールドレンズ１７を介して光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂに導光する。第１のフライアイレンズ１４Ａおよび第２のフライアイレンズ１４Ｂは、レンズアレイの一例である。

光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂは、それぞれ２面以上を有するプリズムで構成されることが好ましく、本実施形態では、全反射三角プリズムユニット（所謂、ＴＩＲプリズムユニット）で構成される。

光変調素子１０３は、入射光２５０を画像データに基づいて変調する。光変調素子１０３は、複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有するＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）により構成され、入力された画像データに基づいて各マイクロミラーを時分割駆動することにより、画像データに基づく画像へと光を加工して反射する。

以上の構成において、光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂは、照明光学系３０１から導光される照射光２５０を入射光２５０として光変調素子１０３に向けて入射させる。

光変調素子１０３は、各マイクロミラーを時分割駆動することにより、入射光２５０を第１の方向に反射して第１の出射光２００を出射する場合と、入射光２５０を第１の方向と異なる第２の方向に反射して第２の出射光を出射する場合と、を切り替える。

光学素子１０２Ｂは、光変調素子１０３から第１の方向に出射された第１の出射光２００を反射し、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光を透過する。

光学素子１０２Ｂで反射された第１の出射光２００は、画像データに基づく画像を形成するＯＮ光として投射光学系１０４へ導光され、第２の方向に出射された第２の出射光は、画像を形成しないＯＦＦ光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止される。

投射光学系１０４は、第１の出射光２００をスクリーン（投射対象）に投射して画像（入力された画像データに基づく画像）を形成する。スクリーンは、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）等により構成される。

本実施形態では、以上説明した構成に加えて、第２のフライアイレンズ１４Ｂよりも光路の上流側に、フィールドレンズ１５の有効径に入射する光を遮蔽する遮蔽部５０を備えており、これにより、光変調素子１０３の表面での反射光に起因する不要光を低減することができる。光変調素子１０３の表面での反射光に起因する不要光とは、例えば、特開２０１７―１２９８４７号公報の図３および図５に示される不要光である。

この場合、光源１０１から照射される光の光軸１０１Ａに直交する方向において、第１のフライアイレンズ１４Ａ、第２のフライアイレンズ１４Ｂの有効径の中心位置１４Ｍは、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍから、遮蔽部５０と反対方向にずれる。ここで、第１のフライアイレンズ１４Ａ、第２のフライアイレンズ１４Ｂの有効径とは、
光軸１０１Ａに直交する方向において、遮蔽部５０により光が遮蔽される遮蔽領域５５を除く領域を指す。

本実施形態では、さらに、光軸１０１Ａに直交する方向において、光源ユニット１１が移動可能に構成される。光源１０１の初期位置１０１ｉでは、光軸１０１Ａはフィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍと一致するが、図１に示す光源１０１の位置では、光軸１０１Ａはフィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍから、遮蔽部５０と反対方向にずれている。

図２は、図１に示した画像投射装置３００の照明光学系３０１の光軸１０１Ａに垂直な断面図である。

光源１０１の照射領域１０１Ｂのうち、遮蔽領域５５と重なる領域では、光源１０１から照射される光は、フィールドレンズ１５に到達しないため、これにより、光源１０１から照射される光の利用効率が低下する。

そこで、光軸１０１Ａに直交する方向において、光軸１０１Ａをフィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍから、遮蔽部５０と反対方向にずらすことにより、照射領域１０１Ｂが遮蔽領域５５と重なる面積が小さくなり、光源１０１から照射される光の利用効率が低下するのを抑制できる。

ここで、中心位置１５Ｍと光軸１０１Ａの距離Ｌ１が大きくなりすぎると、今度は、照射領域１０１Ｂのうち、第２のフライアイレンズ１４Ｂの有効径１４Ｄから外れる領域が大きくなってしまう。よって、中心位置１５Ｍと光軸１０１Ａの距離Ｌ１を、中心位置１５Ｍと中心位置１４Ｍの距離Ｌ２の２倍以下にすることにより、光源１０１から照射される光の利用効率が低下するのを確実に抑制できる。

さらには、中心位置１５Ｍと光軸１０１Ａの距離Ｌ１を、中心位置１５Ｍと中心位置１４Ｍの距離Ｌ２以下にすることにより、光源１０１から照射される光の利用効率が低下するのをより抑制できる。

図３は、図１に示した画像投射装置３００の変形例を示す断面図である。

本変形例では、光源１０１から照射される光を照明光学系３０１に向けて反射する反射光学系４００を備え、光軸１０１Ａに直交する方向において、図２に示した距離Ｌ１が変化するように、反射光学系４００は移動可能である。

反射光学系４００の初期位置４００ｉでは、光軸１０１Ａはフィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍと一致するが、図３に示す反射光学系４００の位置では、光軸１０１Ａはフィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍから、遮蔽部５０と反対方向にずれている。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る画像投射装置３００（光学系）は、入射光２５０を異なる方向に出射する光変調素子１０３と、光源１０１から照射される光を光変調素子１０３に向けて出射する照明光学系３０１と、を備え、照明光学系３０１は、光路の上流側から配置される第１のフライアイレンズ（レンズアレイ）１４Ａ、第２のフライアイレンズ（レンズアレイ）１４Ｂと、フィールドレンズ１５を含み、フィールドレンズ１５よりも光路の上流側に、フィールドレンズ１５の有効径に入射する光を遮蔽する遮蔽部５０を備え、光源１０１から照射される光の光軸１０１Ａに直交する方向において、光軸１０１Ａは、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍから、遮蔽部５０と反対方向にずれている。

これにより、光変調素子１０３の表面での反射光に起因する不要光を低減すると共に、光源１０１から照射される光の利用効率が低下するのを抑制することができる。

光軸１０１Ａに直交する方向において、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍと、光軸１０１Ａの距離Ｌ１は、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍと、遮蔽部５０により光が遮蔽される遮蔽領域５５を除く第１のフライアイレンズ１４Ａおよび第２のフライアイレンズ１４Ｂの有効径の中心位置１４Ｍの距離Ｌ２の２倍以下である。

さらには、距離Ｌ１を距離Ｌ２以下にすることにより、光源１０１から照射される光の利用効率が低下するのを確実に抑制することができる。

光軸１０１Ａに直交する方向において、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍと光軸１０１Ａの距離Ｌ１が変化するように、光源１０１は移動可能である。

あるいは、光源１０１から照射される光を照明光学系３０１に向けて反射する反射光学系４００を備え、光軸１０１Ａに直交する方向において、フィールドレンズ１５の有効径の中心位置１５Ｍと光軸１０１Ａの距離Ｌ１が変化するように、反射光学系４００は移動可能である。

１１ 光源ユニット
１２ コリメートレンズ
１４Ａ 第１のフライアイレンズ（レンズアレイ）
１４Ｂ 第２のフライアイレンズ（レンズアレイ）
１４Ｄ フライアイレンズの有効径
１４Ｍ フライアイレンズの有効径の中心位置
１５ フィールドレンズ
１５Ｍ フィールドレンズの有効径の中心位置
５０ 遮蔽部
５５ 遮蔽領域
１０１ 光源
１０１Ａ 光軸
１０１Ｂ
１０１i
１０３ 光変調素子
１０４ 投射光学系
２００ 第１の出射光
２５０ 入射光（照射光）
３００ 画像投射装置（光学系）
３０１ 照明光学系
４００ 反射光学系

特開２００３−３１５７３３号公報 特開２０１７−１２９８４７号公報

Claims (9)

1. 入射光を異なる方向に出射する光変調素子と、
   光源から照射される光を前記光変調素子に向けて出射する照明光学系と、を備えた光学系であって、
   前記照明光学系は、光路の上流側から配置されるレンズアレイと、レンズを含み、
   前記レンズよりも光路の上流側に、前記レンズの有効径に入射する光を遮蔽する遮蔽部を備え、
   前記光源から照射される光の光軸に直交する方向において、前記光軸は、前記レンズの有効径の中心位置から、前記遮蔽部と反対方向にずれている光学系。
2. 前記光軸に直交する方向において、前記レンズの有効径の中心位置と前記光軸の距離は、前記レンズの有効径の中心位置と前記遮蔽部により光が遮蔽される遮蔽領域を除く前記レンズアレイの有効径の中心位置の距離の２倍以下である請求項１記載の光学系。
3. 前記光軸に直交する方向において、前記レンズの有効径の中心位置と前記光軸の距離は、前記レンズの有効径の中心位置と前記遮蔽領域を除く前記レンズアレイの有効径の中心位置の距離以下である請求項２記載の光学系。
4. 前記光軸に直交する方向において、前記レンズの有効径の中心位置と前記光軸の距離が変化するように、前記光源は移動可能である請求項１〜３の何れか記載の光学系。
5. 前記光源から照射される光を前記照明光学系に向けて反射する反射光学系を備え、
   前記光軸に直交する方向において、前記レンズの有効径の中心位置と前記光軸の距離が変化するように、前記反射光学系は移動可能である請求項１〜４の何れか記載の光学系。
6. 前記レンズアレイは、光路上で離間して配置される第１、第２のフライアイレンズを含む請求項１〜５の何れか記載の光学系。
7. 前記光変調素子から第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光を入射する光学素子を備えた請求項１〜６の何れか記載の光学系。
8. 前記光学素子を通過した前記第１の出射光を入射し、前記投射対象に投射する投射光学系を備えた請求項７記載の光学系。
9. 請求項１〜８の何れか記載の光学系を備え、画像を投射する画像投射装置。

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