JP5028173B2 - 照明装置、投写型映像表示装置およびフライアイレンズ - Google Patents

照明装置、投写型映像表示装置およびフライアイレンズ Download PDF

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Description

本発明は、照明装置、それを搭載した投写型映像表示装置および前記照明装置に用いるフライアイレンズに関し、特に、レーザ光源を発光源とする場合に用いて好適なものである。
近年、半導体レーザ等の固体光源を用いた投写型映像表示装置(以下、「プロジェクタ」という)の開発が進められている。レーザ光源は、広い色空間を高輝度かつ高精細に表現する能力に優れており、次世代プロジェクタの発光源として注目されている。
通常、出射光束の立体角が大きいレーザ光源を発光源とする場合には、出射光束を平行光化する必要がある。ところが、レンズや回折格子等を用いて平行光化を行うと、たとえば図10(b)に示す如く、光強度に偏りが生じる。このため、光の重畳手段としてフライアイレンズを用いると、光変調素子(液晶パネル等)に対する照度ムラが生じ、これにより、投写画像にムラが生じてしまう。
なお、図10(b)は、同図(a)に示す如くレーザ光源からの出射光束をシリンドリカルレンズによってY軸方向に収束させ平行光化したときの光強度分布を、光学シミュレーションソフトを用いて求め、これを模式的に図示したものである。図中、白色に近いほど光強度が高くなっている。この場合、Y軸方向に光強度の偏りが生じている。
なお、特許文献1には、レンズセルが千鳥格子状に配列されたマルチレンズアレイおよびこれを用いるプロジェクタが開示されている。
特開平9−90510号公報
本発明は、光変調素子に対する照度ムラを円滑かつ効果的に抑制できるようにすることを課題とする。
本発明に係る照明装置は、出射光束が立体角を有する光源と、前記光源からの光を少なくとも一方向において収束させ平行光化する光学素子と、前記平行光化された後の光が入射されるとともに被照明領域に均一な光を導くフライアイレンズとを備え、前記フライアイレンズは、列方向または行方向に並ぶレンズセル群が他のレンズセル群に対し前記列方向または行方向に変位しており、且つ、前記変位の段数が2段以上となっていることを特徴とする。
ここで、前記光源は、レーザ光源を備える構成とすることができる。この場合、光学素子は、少なくともビーム径の長軸方向にレーザ光を収束させ平行光化するよう構成することができ、また、フライアイレンズのレンズセル群は、前記長軸方向に互いに変位するよう構成することができる。
また、前記光学素子は、少なくとも一つのシリンドリカルレンズを備えるよう構成することができる。このシリンドリカルレンズにて、ビーム径の長軸方向においてレーザ光を平行光化する場合には、さらにこれに加えて、短軸方向においてレーザ光を平行光化させるシリンドリカルレンズを配する構成とすることができる。また、収束方向が互いに直交するよう配置された2つのシリンドリカルレンズとコリメートレンズを組み合わせて、長軸方向と短軸方向におけるレーザ光の平行光化とビーム成形作用を同時に実現するよう構成することもできる。
なお、レーザ光源からフライアイレンズまでの距離がとれない場合は、薄型化が可能なフレネルレンズ形状のシリンドリカルレンズを使用する構成でも良い。また、回折素子によるビーム成形手段を備える構成でも良い。
本発明に係る投写型映像表示装置は、上記構成を有する照明装置と、前記被照明領域に配置される光変調素子とを有することを特徴とする。
また、本発明に係るフライアイレンズは、列方向または行方向に並ぶレンズセル群が他のレンズセル群に対し前記列方向または行方向に変位しており、且つ、前記変位の段数が2段以上となっていることを特徴とする。
本発明によれば、被照明領域における光の照度分布を均一化することができる。よって、照度ムラに起因する投写画像のムラを抑制することができる。なお、照度ムラの抑制効果については、以下に示す実施の形態の説明において明らかにする。
さらに、本発明のように、レンズセル群の段数を2段以上とすると、段数が1段の場合に比べ、プレス加工の際にレンズセルの境界部分に生じるダレの量を抑制することができ、よって、ダレによる光量損失を抑制することができる。
本発明およびその他の構成例による効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
図1に、実施の形態に係るプロジェクタの光学系を示す。
図において、11は、複数のレーザ光源がX−Y平面上に配されたレーザアレイである。X−Y平面上には、赤色波長帯のレーザ光(以下、「R光」という)を出射するレーザ光源がマトリックス状に配置されている。各レーザ光源から出射されたR光は、偏光方向が一方向に揃っている。また、各レーザ光源は、ビーム径の長軸がY軸方向に平行となるようにして配置されている。
レーザアレイ11から出射されたR光は、それぞれ、シリンドリカルレンズ12によってY軸方向に収束され平行光化された後、フライアイレンズ13に入射される。
フライアイレンズ13は、蝿の目状のレンズ群からなる第1および第2のフライアイレンズを備え、液晶パネル16に入射する際の光量分布が均一となるよう、シリンドリカルレンズ12側から入射される光に対しレンズ作用を付与する。すなわち、第1のフライアイレンズ上の一つのレンズセルを透過した光は、第2のフライアイレンズ上の対応するレンズセルを透過することにより、液晶パネル16に対し、所定のアスペクト比(たとえば16:9)の広がりをもって入射する。なお、第1および第2のフライアイレンズの構成および作用効果は、追って詳述する。
コンデンサレンズ14は、フライアイレンズ13から入射された光に集光作用を付与する。レンズ15は、R光を平行化して液晶パネル16に入射させる。液晶パネル16は、赤色用の駆動信号に応じて駆動され、その駆動状態に応じてR光を変調する。なお、レンズ15を透過したR光は、入射側偏光板(図示せず)を介して液晶パネル16に入射される。
21は、複数のレーザ光源がY−Z平面上に配されたレーザアレイである。Y−Z平面上には、緑色波長帯のレーザ光(以下、「G光」という)を出射するレーザ光源がマトリックス状に配置されている。各レーザ光源から出射されたG光は、偏光方向が一方向に揃っている。各レーザ光源は、ビーム径の長軸がY軸方向に平行となるようにして配置されている。
レーザアレイ21から出射されたG光は、それぞれ、シリンドリカルレンズ22によってY軸方向に収束され平行光化された後、フライアイレンズ23に入射される。
フライアイレンズ23は、上記フライアイレンズ13と同様、第1および第2のフライアイレンズを備えている。フライアイレンズ23の機能はフライアイレンズ13の機能と同様である。第1および第2のフライアイレンズの構成および作用効果は、追って詳述する。
コンデンサレンズ24は、フライアイレンズ23から入射された光に集光作用を付与する。レンズ25は、G光を平行化して液晶パネル26に入射させる。液晶パネル26は、緑色用の駆動信号に応じて駆動され、その駆動状態に応じてG光を変調する。なお、レンズ25を透過したG光は、入射側偏光板(図示せず)を介して液晶パネル26に入射される。
31は、複数のレーザ光源がX−Y平面上に配されたレーザアレイである。X−Y平面上には、青色波長帯のレーザ光(以下、「B光」という)を出射するレーザ光源がマトリックス状に配置されている。各レーザ光源から出射されたB光は、偏光方向が一方向に揃っている。各レーザ光源は、ビーム径の長軸がY軸方向に平行となるようにして配置されている。
レーザアレイ31から出射されたB光は、それぞれ、シリンドリカルレンズ32によってY軸方向に収束され平行光化された後、フライアイレンズ33に入射される。
フライアイレンズ33は、上記フライアイレンズ13、23と同様、第1および第2のフライアイレンズを備えている。フライアイレンズ33の機能はフライアイレンズ13、23の機能と同様である。第1および第2のフライアイレンズの構成および作用効果は、追って詳述する。
コンデンサレンズ34は、フライアイレンズ33から入射された光に集光作用を付与する。レンズ35は、B光を平行化して液晶パネル36に入射させる。液晶パネル36は、青色用の駆動信号に応じて駆動され、その駆動状態に応じてB光を変調する。なお、レンズ35を透過したB光は、入射側偏光板(図示せず)を介して液晶パネル36に入射される。
ダイクロイックプリズム40は、液晶パネル16、26、36によって変調され、出射側偏光板(図示せず)を介したR光、G光およびB光を合成し、投写レンズ50へと入射させる。投写レンズ50は、投写光を被投写面上に結像させるためのレンズ群と、これらレンズ群の一部を光軸方向に変位させて投写画像のズーム状態およびフォーカス状態を調整するためのアクチュエータを備えている。
図2(a)は、フライアイレンズ13を構成する第1および第2のフライアイレンズの構成を示す図である。なお、フライアイレンズ23、33を構成する第1および第2のフライアイレンズも図2(a)と同様にして構成される。
図示の如く、第1および第2のフライアイレンズは、Y軸方向に段差が生じるよう形成されている。すなわち、Y軸方向に並ぶ一列分のレンズセル群は、隣り合うセル群に対し、Y軸方向に距離dだけ配置位置が変位している。ここで、距離dは、段差数をs、Y軸方向におけるレンズセルの幅をPとすると、次式に従って設定されている。
d=P/(s+1) … (1)
図2(a)の構成例では、段差数sが、s=2となっている。したがって、隣り合うセル群間の変位距離dは、d=P/3となる。
ここで、段差数sは、s≧2となるよう設定される。これは、以下の検証にて示すとおり、段差数が2以上の場合に、液晶パネル16に対する照度ムラが円滑に抑制されるためである。
図3は、検証(シミュレーション)に用いた光学系を示す図である。図示の如く、本検証では、一つのレーザ光源と一つのシリンドリカルレンズが用いられている。レーザ光源は、図1の場合と同様、ビーム径の長軸がY軸方向に平行となるよう配置されている。シリンドリカルレンズは、レーザ光源から出射されたレーザ光をY軸方向に収束させ平行化する。フライアイレンズ以降の構成は、図1の場合と同様である。
図4は、本検証におけるフライアイレンズの構成とレーザ光の入射状態を示す図である。図示の如く、本検証では、Y軸方向およびX軸方向における一つのレンズセルの幅が、それぞれ2.80mm、3.64mmに設定されている。また、各レンズセルは曲率半径Rが、R=15mmに設定されている。さらに、フライアイレンズに対する一つのレーザ光源の入射領域は、同図(a)の状態において、縦5個×横4個のレンズセルに掛かるよう設定されており、入射領域は、縦12mm×横12mmの矩形領域となっている。
本検証では、同図(a)の状態(段差数s=0)から、各列のセル群の段差数sを1、2、…と増加させて行き、各段差数において、液晶パネル上におけるレーザ光の照度ムラをシミュレーションにより求めた。ここで、隣り合うセル群間の変位距離dは、図2(a)と同様、上記(1)式に従って設定した。
図5に検証結果(シミュレーション)を示す。同図(a)〜(c)は、それぞれ、レーザ光源から出射されるレーザ光の波長帯を赤色波長帯、緑色波長帯、青色波長帯としたときのシミュレーション結果である。また、各検証結果における縦軸は、液晶パネル上の平均照度をX軸方向のライン毎に求め、求めた平均照度の最大値と最小値の差を、段差数0のときの差を1として正規化したものである。
検証結果から分かるとおり、段差数sがs=1のときには、照度ムラ(ムラの変位量)は余り改善されない。これに対し、段差数sがs=2となると、照度ムラは大幅に改善され、その後、段差数sを増加させても、照度ムラは、略横ばい状態である。また、照度ムラの改善効果は、各波長帯において略同様の傾向が示されている。したがって、図1の構成例では、フライアイレンズ13、23、33を構成する第1および第2のフライアイレンズの段差数sをs≧2に設定することにより、液晶パネル16、26、36に対するR光、G光、B光の照度ムラを円滑に抑制することができる。
なお、本検証では、上述のムラの変位量により照度ムラを測定するようにしたが、照度の平均偏差(平均偏差=液晶パネル上における照度の標準偏差/液晶パネル上における全領域の平均照度)によって照度ムラを測定しても、図5と同様の傾向が示された。
図6(a)および(b)は、それぞれ、上記検証例において、フライアイレンズにおけるレンズセル群の段差数sをs=0およびs=4としたときの液晶パネル上における照度ムラを光学シミュレーションソフトにより求め、これを模式的に示したものである。同図では、白い近いほど、照度が高くなっている。
同図(a)(b)を比較して分かるとおり、s=0ではX軸方向に照度の高い帯状領域または照度の低い帯状領域が見られるが、s=4とすると、この帯状領域が解消されている。また、s=4とすると、照度の高い領域がやや分散するものの、全体的には照度が均一化されている。このように、段差数sをs=4とすると、s=0の場合に比べ、照度ムラが大幅に改善されていることが分かる。したがって、段差数sをs=4とすると、液晶パネルに対し略一様な照度にてレーザ光を照射することができる。この効果は、図5の検証結果から分かるとおり、段差数sをs≧2とすることにより同様に奏される。また、R光、G光、B光の何れにおいても同様に、照度ムラの抑制を実現できる。
なお、上記には、一つのレーザ光源を用いる場合の検証例を示したが、複数のレーザ光源を用いる場合にも同様の効果が奏されることが発明者によって確認されている。たとえば、図7は、9個のレーザ光源をマトリクス状に配置する場合の検証例を示している。レンズセルの幅と曲率半径は上記検証と同じである。各レーザ光源から出射されたレーザ光は、上記検証例と同様、それぞれ、個別に配されたシリンドリカルレンズによってY軸方向に収束され平行光化される。9個のレーザ光源からの光は全体として縦36mm×横36mmの領域において、フライアイレンズに入射されている。なお、同図では、縦36mm×横36mmの領域が9個のエリアに分割されているが、これら各分割領域は、それぞれ、各レーザ光源からの光が入射される領域である。
この検証例において、9個のレーザ光源を順次点灯させながら、液晶パネル上の照度状態を測定すると、波長帯毎に、図5と同様の傾向の検証結果が得られた。よって、9個のレーザ光源を同時発光させる場合にも、図6(b)に模式的に示す如く、略均一な照度にて各波長帯のレーザ光を液晶パネルに照射することができる。したがって、図1の光学系のように、複数のレーザ光源をマトリクス状に配置してレーザアレイ11、21、31を構成する場合にも、フライアイレンズの段差数sをs≧2に設定することにより、液晶パネル16、26、36に対するR光、G光、B光の照度ムラを抑制することができる。
以上、本実施の形態によれば、液晶パネル16、26、36に対するR光、G光、B光の照度ムラを抑制することができ、当該照度ムラに起因する投写画像のムラを抑制することができる。また、かかる照度ムラの抑制を、部品点数およびコストの上昇なく、かつ、制御処理を変更することなく、フライアイレンズ上の簡易な構成の変更により、効果的に実現することができる。
なお、本実施の形態に係るフライアイレンズは、従来のフライアイレンズに比べ、レンズセルの配置に段差が設けられている点のみが相違し、その他の機能は従来のフライアイレンズと同様であるため、光学系に配置する場合には、従来のフライレンズと単に置き換えるのみで良い。つまり、2枚のフライアイレンズの間隔等は、従来のままで良い。
ところで、図10(b)に示す光強度ムラは、光源とフライアイレンズの距離が大きくなるに従って顕著となる。よって、本実施の形態は、光源とフライアイレンズの距離が大きいほど効果を発揮するものとなる。たとえば、上記検証例の構成では、レーザ光源からフライアイレンズまでの距離が10mm以上の場合に、照明ムラの抑制効果がより顕著に発揮される。
なお、上記実施の形態では、図1に示すように、レーザ光をY軸方向に収束させ平行光化する場合を例示したが、レーザ光をX軸方向に収束させ平行光化する場合には、図2(b)に示すように、レンズセル群をX軸方向に変位させることにより、液晶パネル上における照度ムラを抑制することができる。この場合も、レンズセル群の段差数sをs≧2に設定することにより、照度ムラを円滑かつ効果的に抑制することができる。
また、2つのシリンドリカルレンズを適宜組み合わせることにより、レーザ光をY軸方向とX軸方向の両方に収束させ、これら両方向においてレーザ光を平行光化するよう構成することもできる。この場合、図10(b)に示す光強度ムラは、収束作用がより大きい方の方向、すなわち、ビーム有効径の長軸方向においてより顕著に生じる。よって、この場合には、より大きい方の強度ムラを抑制するのが望ましく、したがって、フライアイレンズの段差方向は、ビーム有効径の長軸方向に設定するのが好ましい。
なお、2つのシリンドリカルレンズとコリメートレンズを適宜組み合わせることにより、レーザ光をY軸方向とX軸方向の両方に平行光化するようにしても良い。
ところで、上記実施の形態では、図1に示す如く、R光、G光、B光毎に個別に光源から液晶パネルまでの光学系を配置したが、たとえば、図8に示す如く、レーザアレイ61からコンデンサレンズ64までの光学系を共通化し、その後、ダイクロイックミラー65、67によりR光、G光、B光を分離するようにしても良い。
図8の構成例では、R光、G光、B光を出射する複数のレーザ光源がY−Z平面上にマトリクス状に配されることにより、レーザアレイ61が構成されている。レーザアレイ11から出射されたR光、G光、B光は、それぞれ、シリンドリカルレンズ62によってY軸方向に収束され平行光化された後、フライアイレンズ63に入射される。フライアイレンズ63は、たとえば図2(a)に示すように、隣り合うレンズセル群がY軸方向に変位するよう構成されている。ここで、段差数sはs≧2に設定される。
フライアイレンズ63を透過した各波長帯のレーザ光は、コンデンサレンズ64によって集光される。かかるレーザ光のうち、R光は、ダイクロイックミラー65によって反射され分離される。その後、R光は、ミラー66によって反射されレンズ15に入射される。その後の光路は、図1の場合と同様である。
ダイクロイックミラー65を透過したG光、B光のうち、G光は、ダイクロイックミラー67によって反射され、レンズ25に入射される。その後の光路は、図1の場合と同様である。
ダイクロイックミラー67を透過したB光は、リレーレンズ68、70とミラー69、71からなる光路を進み、レンズ35に入射される。その後の光路は、図1の場合と同様である。
また、上記実施の形態では、レーザ光源をマトリクス状に配置するようにして光源部を構成したが、たとえば、図9に示す如く、複数のレーザ光源と複数のミラーを組み合わせて光源部を構成するようにすることもできる。図9の構成例では、4つの半導体レーザ81〜84と4つのミラー85〜88から光源部が構成されている。ここで、半導体レーザ81、82は光軸が互いに一致し、また、半導体レーザ83、84は光軸が互いに一致している。
半導体レーザ81、82から出射されるレーザ光は、それぞれ、ミラー85、86によってZ軸方向に反射され、また、半導体レーザ83、84から出射されるレーザ光は、それぞれ、ミラー87、88によってZ軸方向に反射される。半導体レーザ81、82とミラー85、86からなるユニットは、半導体レーザ83、84とミラー87、88からなるユニットに対し、配置位置がY軸方向にシフトしている。
なお、図9には、4つの半導体レーザからの光をミラーで合成して照明光とする構成例を示したが、半導体レーザとミラーの個数はこれに限るものではなく、たとえば図9に示すように、9つのレーザ光をフライアイレンズに導く場合には、9つの半導体レーザを準備して、各半導体レーザから出射されるレーザ光をミラーにて合成するようにしても良い。ただし、このようにミラーにてレーザ光を合成する場合には、各半導体レーザからの光が照明光の光軸中心に接近するよう半導体レーザとミラーを配置し、極力、Etendue値が小さくなるよう調整する必要がある。
この他、光学系の構成をLCoS方式に変更することも可能である。LCoS方式では、光変調素子として反射型の液晶パネルが用いられる。具体的には、液晶の表層に光を偏光させる反射層を設け、この反射層の状態を電気的に制御することにより液晶パネル上に映像が表現される。この方式においても、上記フライアイレンズを用いることにより、液晶パネルに対する照明ムラが抑制される。よって、照度ムラに起因する投写画像のムラを抑制することができる。
なお、上記実施の形態では、照度ムラを抑制するとの観点から、レンズセル群の段差数sをs≧2に設定するのが適正であるとしたが、レンズ加工の観点からも、段差数は、1段よりも2段以上とするのが望ましいと言える。すなわち、段差数が1段の場合、レンズセルの間隔(上記変位距離d)が大きいため、プレス加工の際に、レンズセルの境界部分にダレが生じ、このダレによる光量損失が比較的大きなものとなってしまう。これに対し、段差数を2段以上とすると、レンズセルの間隔(変位距離d)が小さくなるため、それに伴いダレの量が抑制され、ダレによる光量損失も抑制される。
なお、レンズセル群は必ずしも規則的に変位する必要はない。すなわち、図2(a)では、左端のレンズセルから右方向に向かうにつれ1段ずつ下方向にレンズセル群が変位し、左から4つ目のレンズセル群から再度同様に1段ずつ下方向にレンズセル群が変位しているが、たとえば、左から4つ目のレンズセル群までは図2(a)と同様とし、左から5つ目のレンズセル群を2段下方向に変位させ、左から6つ目のレンズセル群は1段下方向に変位させる等、レンズセル群の変位状態をランダムなものとすることもできる。この場合にも、上記と同様の効果が期待される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に制限されるものではない。また、本発明の実施形態も、上記以外に種々の変更が可能である。本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜変更可能である。
実施の形態に係るプロジェクタの光学系を示す図 実施の形態に係るフライアイレンズの構成を示す図 実施の形態の検証例に係る光学系を示す図 実施の形態の検証例に係るフライアイレンズの構成を示す図 実施の形態の検証例に係る検証結果を示す図 実施の形態の検証例に係る検証結果を模式的に示す図 実施の形態の他の検証例に係るフライアイレンズの構成を示す図 実施の形態に係るプロジェクタの光学系の変更例を示す図 実施の形態に係る光源部の変更例を示す図 レーザ光をシリンドリカルレンズによって平行光化したときの光強度分布を説明する図
符号の説明
11、21、31 … レーザアレイ
12、22、32 … シリンドリカルレンズ
13、23、33 … フライアイレンズ
16、26、36 … 液晶パネル
61 … レーザアレイ
62 … シリンドリカルレンズ
63 … フライアイレンズ
81、82、83、84 … 半導体レーザ
85、86、87、88 … ミラー

Claims (3)

  1. 出射光束が立体角を有するレーザ光源と、
    少なくとも長軸方向にレーザ光を収束させ平行光化する光学素子と、
    前記平行光化された後の光が入射されるとともに被照明領域に均一な光を導くフライアイレンズとを備え、
    前記レーザ光源は、前記立体角の大きな長軸方向と前記立体角の小さな短軸方向を有し、
    前記フライアイレンズは、列方向または行方向に並ぶレンズセル群において前記長軸方向に互いに変位しており、且つ、前記変位の段数が2段以上となっている、
    ことを特徴とする照明装置。
  2. 請求項1において、
    前記光学素子は、少なくとも一つのシリンドリカルレンズを備える、
    ことを特徴とする照明装置。
  3. 請求項1ないし2の何れか一項に記載の照明装置と、
    前記被照明領域に配置される光変調素子とを有する、
    ことを特徴とする投写型映像表示装置。
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