JP3174811U - 反射式光学エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】光学エンジンの体積を減少する反射式光学エンジンを提供する。
【解決手段】二つの対物レンズの必要な距離に偏光ビームスプリッタを設けて、共有空間で、二つの対物レンズの必要な距離を維持すると同時に、空間をも節約して、それにより、光学エンジンの体積を減少した。対物レンズの一つまたはいくつかのレンズを偏光ビームスプリッタと一体化して、光学エンジンの組立精度を向上させることもできる。偏光ビームスプリッタと光変調器との間の光学素子を偏光ビームスプリッタと一体化することによって、液晶ライトバルブを偏光ビームスプリッタにより接近するように設置することができる。
【選択図】図３

Description

本考案は、ポータル小型プロジェクターに関し、特に、ポータル小型プロジェクターの小型化技術に関する。

手のひらより小さいポータブル小型プロジェクター、又はノートパソコンなどの設備に内蔵できるプロジェクターを商業化にするためには、小型プロジェクター用エンジンを開発しなくてはならない。

従来の反射式光学エンジンの構造は、図１に示される。ここで、１０Ｒは赤色光源、１０Ｇは緑色光源、１０Ｂは青色光源、２０はディフューザー、３０はビームシェーパー、４０は対物レンズ、５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂは赤色、緑色、青色用の各スプリッタ、６０は光変調器、７０は投射レンズ、８０は偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter、「ＰＢＳ」と略称）である。反射式光学エンジンの体積を縮小するには、光学エンジンの構造を簡素化しなくてはならない。

しかしながら、光源からの光を映像形成の光変調器に入射する前には、ビーム形状を変換して、光変調器の有効領域の形状に適応させなければならない。この役割を果たしている装置がビームシェーパー（Beam shaper）である。ビームシェーパーを通過した有効映像の光束の大きさを、有効領域より少し大きい面積に調整するためには、二つの対物レンズがなくてはならない。光変調器に到達した光束の面積は、ビームシェーパーと、この二つの対物レンズとの間の距離によって決められる。

光変調器に到達した光束の面積を必要な面積にどのように調整するかは、光学エンジンの効率に影響する重要な要素である。しかし、上述の効果を達成するには、三つの光学装置（ビームシェーパーと二つの対物レンズ）が一定の間隔によって並ばなくてはならない。このため、光学エンジンの体積が増加してしまう。

本考案は、光学エンジンの体積を減少する、反射式光学エンジンを提供することを目的とする。

上述の技術的な問題を解決するために、本考案の実施態様は
少なくとも一つの光源と、
光源からの光で映像を生成する光変調器と、
光変調器で生じた映像を拡大して投射する投射レンズと、
光変調器と投射レンズとの間に位置する偏光ビームスプリッタと、
少なくとも二つのレンズで、前記の光変調器に入る光を集束する対物レンズと、を備え、
前記対物レンズの少なくとも一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタの光源側に設置され、少なくとも一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタの光変調器側に位置することを特徴とする反射式光学エンジンを提供する。

本考案の実施態様について、既存の技術と比べた主な差異は次の通りである。

二つの対物レンズの必要な距離の中に偏光ビームスプリッタを設けて、共有空間によって、二つの対物レンズの必要な距離を維持すると同時に、空間をも節約して、それにより、光学エンジンの体積を減少した。この他、偏光ビームスプリッタの光変調器側に設置されたレンズは、また、投射レンズの第一レンズの役割を果たすことができるので、幾つものレンズから構成されなくてはならない投射レンズから一つのレンズを省くことができ、それにより、投射レンズの体積を縮小し、さらに光学エンジンの体積を減少する。

さらに、対物レンズの一つ又は幾つものレンズを偏光ビームスプリッタと一体化することによって、光学エンジンの組立精度を向上させることができる。

さらに、偏光ビームスプリッタと光変調器との間の光学素子を、偏光ビームスプリッタと一体化することによって、液晶ライトバルブを偏光ビームスプリッタにさらに接近させて、一層、光学エンジンの体積を減少した。また、光学エンジンの組立時の配置が簡単になり、単に光変調器を偏光ビームスプリッタに対して整列するだけでよく、操作はいっそう容易になる。

さらに、光源と光変調器との間にビームシェーパーを引き込むことによって、光源からの光を光変調器に適応する入射面状に調整して、光の効率を高めることができる。

さらに、ビームシェーパーの両側は、複眼レンズにて構成したので、限りのある体積でビームシェーピングの効果を高めた。

図１は従来の反射式光学エンジンの概略図である。 図２は本考案の第一実施例における反射式光学エンジンの概略図である。 図３は本考案の第二実施例における反射式光学エンジンの概略図である。 図４は本考案の第三実施例における反射式光学エンジンの概略図である。 図５は本考案の第四実施例における反射式光学エンジンの概略図である。

以下の記述において、読者により良くこの出願を理解させるために、多くの詳細な技術を提出する。しかしながら、当該分野の技術者は、これらの詳細な技術及び下記の各実施形態に基づいた様々な変更と改修がなくても、この出願の各権利要求の保護を求められる技術方案を実現できることが分かるであろう。

本考案の目的、技術方案と利点をより明らかにするために、以下、添付図面によって本考案の実施例についてさらに詳しく説明する。

本考案の第一実施例は、反射式光学エンジンに関し、その構造は図２に示すような構造である。

この反射型の光学エンジンは、次のようなものを含む。Ｒ光源（ｌ０Ｒ）、Ｇ光源（１０Ｇ）、Ｂ光源（ｌ０Ｂ）、スプリッタ５０Ｒ、４０Ｇ、５０Ｂ、ディフューザー（２０）、ビームシェーパー（３０）、対物レンズ（４０−１、４０−２）、光変調器（６０）、投影レンズ（７０）、偏光ビームスプリッタ（８０）。ここで、Ｒは赤を、Ｇは緑を、Ｂは青を示す。

Ｒ／Ｇ／Ｂ光源は、次々とＲ／Ｇ／Ｂ光を出射する。具体的に言えば、１フレーム照射する時間をＴとすると、Ｔ／３の時間ではＲ光源を照射し、それからのＴ／３の時間ではＧ光源を照射し、次のＴ／３の時間ではＢ光源を照射する。光源は、またその他の順によって次々と照射できると理解でき、例えば、Ｂ／Ｇ／Ｒ等である。

本実施例において、三つのレーザー光源が使われているが、本考案はレーザー光源だけに限るものではなく、光源の数も三つだけに限るものではない。例えば、本考案の他の実施例においてＬＥＤ光源（Light Emitting Diode、「ＬＥＤ」と略称）、又はレーザーとＬＥＤとの混合光源を使うこともできる。光源は、一つ又は他の数でもいい。

三つの光源（１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ）は、それぞれのスプリッタ５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂによってディフューザー（２０）へ反射または透過照射される。

スプリッタ５０Ｇは、Ｇ光源（１０Ｇからの緑のレーザー）を反射して、そして余剰光線を透過させる役割を果たしており、また、スプリッタ５０Ｇは、通常の可視光を全部反射する普通鏡とすることもできる。スプリッタ５０Ｒは、Ｒ光源（１０Ｒからの赤いレーザー）を反射して余剰波長範囲の光線を通す役割を果たしており、スプリッタ５０Ｂは、Ｒ光源（１０Ｂからの青いレーザー）を反射して余剰波長範囲の光線を通す役割を果たしている。

ディフューザーは、光軸に垂直に振動しているので、ディフューザーを通るときに、光のランダム性（Randomness）は増加する。このようなディフューザーは、レーザーに特有のレーザースペックル（Speckle）を除去するために設置された装置で、レーザー光線のコヒーレンス（Coherence）という特徴を減少することに用いられ、それにより、レーザースペックル減少の目的を達成する。

ディフューザーを通過した光は、ビームシェーパー（Beam Shaper）によってビームの形を変える。

本実施例において、ビームシェーパー（３０）は、複眼レンズで、この複眼レンズの表に幾つもの小型レンズがマトリックスの形式で並べられている。ビームシェーパー（３０）の役割は、光源からのビームを光変調器の入射面に適応する形にシェーピングして、それにより光効率を向上させる。

レーザー光源を使用する本実施例において、ビームシェーパーは、直径が８０〜５００μｍの幾つもの小型レンズに組み立てられ、それにより、ビームのシェーピングは、より簡単になった。これは、小型レンズの直径が８０μｍより小さければ、レーザーの貫通性によってビームにグリッド線を生じて、そのうえ、現有の技術では８０μｍより小さい表面の滑らかなレンズを作るのはかなり難しいからである。直径が大きくなれば、ビームにグリッド線が生じることは低下するが、超小型光学エンジンに必要な均一光源を得られなくなり、よって５００μｍ以下のものが良い。

各小型レンズユニットは、様々な小型レンズからなっているので、レーザースペックルを低減することができる。

小型レンズユニットの形は、光変調器の有効領域の形と一致しているので、光の損失を最低まで低減する。

本考案の他の実施例において、ビームシェーパーは、複眼レンズで構成されず、単に一つ又は二つの小型レンズで構成されても良い。

本実施例では、ビームシェーパー（３０）の両側を複眼レンズで構成して、両側でシェーピングされた幾つもの小型レンズがそれぞれ対応しているので、限られた体積によってビームシェーピングの効果を向上させている。本考案の他の実施例において、二つの、片面型複眼レンズを使うこともできる。

対物レンズ（４０−１、４０−２）は、ビームシェーパーによってシェーピングされた光線を集束するレンズで、通常、二つのレンズから構成されて、二つのレンズ間の距離を調節することによって、より正確な整列を達成することができる。

光変調器（６０）は、入射した光線を選択的に通過させ、ブロッキングし、或いは光路を変えて、映像ピクチャーを形成する装置である。光変調器（６０）の代表的な実例は、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device、「ＤＭＤ」と略称）、液晶表示（Liquid Crystal Display、「ＬＣＤ」と略称）装置、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon、「ＬＣＯＳ」と略称）などがある。

ＤＭＤは、デジタルライトプロセッシング（Digital Light Processing、「ＤＬＰ」と略称）プロジェクターに用いられる装置で、それは、フィールドシーケンシャル（field sequential）というドライブ方式を利用して、ピクセル数が同じでマトリクス式で配列するデジタルミラー（DIGITAL MIRROR）に用いられる。ＤＬＰは、デジタルミラーによって光源からの光の光路を調節して、そして、反射板の反射によって漸進的変化（Gradation）を達成して、或いは映像を形成するプロジェクターである。

液晶表示装置（ＬＣＤ）は、選択的に液晶をＯＮ／ＯＦＦして、映像を形成する装置である。ＬＣＤ装置を用いたプロジェクターには、直視型（direct-view）、投射型、及び反射型がある。直視型投影は、液晶表示装置裏面の背景光がＬＣＤパネルを通して映像を形成し、そして直接に観察できる方式である。投射型投影は、液晶表示装置によって形成された映像を投射レンズで拡大した後、スクリーンに投射して、スクリーンから反射された映像を観察する方式である。反射型は、投射型と構造がほぼ同じで、その差異は、反射型がＬＣＤの下の基板上に反射膜を設置していて、反射された光線が拡大されてスクリーンに投射されることにある。

ＬＣＯＳは、反射型液晶表示で、従来の液晶表示端の両面基板の下基板を透明ガラスからシリコン基板に変更して、反射型方式で作動する。

偏光ビームスプリッタ（８０）は、入射光を光変調器に輸送する役割を果たす光学素子で、そのガラス六面体内の偏光膜が対角線のように分布していて、反射式光学エンジンの必要な光学素子である。

入射光が偏光ビームスプリッタ（８０）の偏光膜に到達した後、Ｓ偏光は通過して捨てられるが、Ｐ偏光は光変調器の方向へ反射される。したがって、光源（１０）からの光線は、光路のある位置で線偏光の形に変換（Conversion）しなければ、光効率を維持することができない。しかし、レーザー光源からの光線は、自身の偏光比が数百対一まで高く、したがって、別に線偏光形成用光学素子の追加を必要としない。

このように光変調器に入ったＰ偏光は、光変調器を出る時にＳ偏光に形成されて、Ｓ偏光の映像光に変換した後、再び偏光ビームスプリッタ（８０）に入射して、偏光膜に接触する。この時に、映像光は、全部Ｓ偏光なので、偏光膜に全部投射されて投射レンズ（７０）に入射する。

投射レンズ（７０）は、何枚ものレンズからなり、光変調器（６０）によって形成された映像をスクリーン（不図示）に拡大して投射する。

第一、第二対物レンズは、一定の間隔を維持しなくてはならない。従って、本実施例において、偏光ビームスプリッタ（８０）を第一対物レンズ（４０−１）と第二対物レンズ（４０−２）との間に設けるのである。ここで、第一対物レンズ（４０−１）は、偏光ビームスプリッタ（８０）の光源側に設けられて、第二対物レンズ（４０−２）は、偏光ビームスプリッタ（８０）の光変調器側（６０）に設けられる。

このような配置によって、二つの対物レンズの必要な間隔内に偏光ビームスプリッタを設置して、共有空間によって二つの対物レンズの必要な間隔を維持すると同時に、空間をも節約して、それにより、光学エンジンの体積を縮小するのである。

また、この方案は別の利点もある。反射式光変調器なので、光路で二回、第二対物レンズ（４０−２）を通る。一回目に通る時には、入射光の面積のサイズを光変調器の有効領域に調整する役割を果たして、二回目に通る時には、投射レンズの第一レンズの役割を果たすのである。したがって、幾つものレンズに構成されなくてならない投射レンズから一つのレンズを省いて、投射レンズの体積を縮小する目的を実現する。それにより、いっそう光学エンジンの体積を減少することができる。

本考案の第二実施例は、反射式光学エンジンに関して、第一実施例をさらに改善したものである。

第一実施例の問題は、対物レンズがフレームに固定されなくてはならないことにあって、光学エンジンの体積の増加をもたらす恐れがある。また、光変調器に到達した光の光路が長くなるに従って、光損失も増加する。

また、小型プロジェクターの超小型光学エンジンにあっては、レンズ位置の誤差に対する要求がかなり高く、組立の際に、整列（Alignment）が難しい。

したがって、光効率に鑑みて、光変調器（６０）は、できるだけ偏光ビームスプリッタ（８０）に接近しなくてはならず、なお、いっそう光学エンジンの体積を縮小するのである。

第二実施例において、反射式光変調器の液晶ライトバルブと偏光ビームスプリッタ（８０）間の光学素子が、偏光ビームスプリッタ（８０）と一体化されている。具体的に言えば、偏光ビームスプリッタの光変調器側に設置された一つのレンズ（図２の４０−２に相当）が偏光ビームスプリッタ（８０）と一体化されるもので、その構造は図３のようである。

図３において、偏光ビームスプリッタと光変調器との間に独立な光学素子はない。偏光ビームスプリッタと光変調器との間の光学素子を偏光ビームスプリッタと一体化することによって、液晶ライトバルブを偏光ビームスプリッタにさらに接近させて、一層光学エンジンの体積を減少した。また、光学エンジンの組立時の整列が簡単になり、単に光変調器を偏光ビームスプリッタに対して整列するだけで良く、操作はいっそう容易になる。

本考案の第三実施例は、反射式光学エンジンに関する。第三実施例は、第一実施例をさらに改造したものである。主な改善点は次の通りである。偏光ビームスプリッタの光源側に設置された一つのレンズ（図２の４０−１に相当）が偏光ビームスプリッタ（８０）と一体化されるもので、図３のように、このような一体化は、光学エンジンの組立時の整列の難しさをも低減する。

本考案の第四実施例は、反射式光学エンジンに関する。第四実施例も第一実施例をさらに改造したものである。主な改善点は次の通りである。

対物レンズが少なくとも三つのレンズ（４０−４、４０−５、４０−６）を含み、その中の偏光ビームスプリッタの光変調器側に設置された一つのレンズ（４０−６）と、偏光ビームスプリッタの光源側に設置された一つのレンズ（４０−５）とは、共に偏光ビームスプリッタ（８０）と一体化されて、図５のように構成される。この案では、液晶ライトバルブを偏光ビームスプリッタにさらに接近させて配置できて、それにより、一層光学エンジンの体積を減少した。また、光学エンジンの組立時の整列が簡単になって、単に光変調器を偏光ビームスプリッタに対して整列するだけでよくて、操作はいっそう容易になる。

本考案のいくつかの最適化された実施例を参照することによって、本考案について図示及び説明をしたが、当分野における一般的な技術者は、本考案の精神と範囲を外れない前提で、形式と詳細ではこれに対して種々な変化を与えることが出来る。

Claims (10)

1. 少なくとも一つの光源と、
   前記光源からの光で映像を生成する光変調器と、
   前記光変調器で生じた映像を拡大して投射する投射レンズと、
   前記光変調器と投射レンズとの間に位置する偏光ビームスプリッタと、
   少なくとも二つのレンズを含み前記光変調器に入る光を集束する対物レンズとを備え、
   前記対物レンズの少なくとも一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタの光源側に設置され、そして、少なくとも一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタの光変調器側に位置することを特徴とする反射式光学エンジン。
2. 前記対物レンズの少なくとも一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタと一体化したものであることを特徴とする、請求項１記載の反射式光学エンジン。
3. 前記偏光ビームスプリッタの光変調器側に設けた一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタと一体化したものであることを特徴とする、請求項２記載の反射式光学エンジン。
4. 前記偏光ビームスプリッタの光源側に設けた一つのレンズが前記偏光ビームスプリッタと一体化したものであることを特徴とする、請求項２記載の反射式光学エンジン。
5. 前記対物レンズが少なくとも三つのレンズを含み、その内、前記偏光ビームスプリッタの光変調器側に設けた一つのレンズと、前記偏光ビームスプリッタの光源側に設けた一つのレンズとが共に前記偏光ビームスプリッタと一体化したものであることを特徴とする、請求項２記載の反射式光学エンジン。
6. 前記偏光ビームスプリッタと前記光変調器との間に、独立な光学素子がないことを特徴とする、請求項３又は５記載の反射式光学エンジン。
7. 前記光源と対物レンズとの間に位置して、前記光源からのビームを光変調器の有効領域に変換するビームシェーパーを備え、前記ビームシェーパーが複眼レンズで、この複眼レンズの表に幾つもの小型レンズがマトリックスの形式で並べられていることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の反射式光学エンジン。
8. 前記ビームシェーパーが両側に複眼レンズを構成し、両側で成形した幾つものレンズとそれぞれ対応していることを特徴とする、請求項７記載の反射式光学エンジン。
9. 前記光源が複数存在し、各光源に少なくとも一つのレーザー光源が含まれ、或いは各光源に少なくとも一つのＬＥＤ光源が含まれていることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の反射式光学エンジン。
10. 前記光変調器は、液晶表示装置、デジタルマイクロミラーデバイス、及びシリコン液晶のいずれかであり、前記光変調器は、フィールドシーケンシャル方式で複数の光源に対して調整することを特徴とする、請求項９記載の反射式光学エンジン。

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