JP5106360B2 - レンズアレイ素子及び投写型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として投写型画像表示装置等に用いられるレンズアレイ素子に関し、特に、他の光学要素に対する位置決めに用いる改良された基準面を有するレンズアレイ素子、及びそれを用いた投写型画像表示装置に関する。

プロジェクタなどの投写型画像表示装置は、液晶パネルやＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などの画像表示素子を備え、ランプなどの光源からの光を画像表示素子に集光し、この光を入力画像信号に応じて変調することにより形成された光学画像を拡大投写して、大画面を得るものである。

そのような投写型画像表示装置においては、光源から出射された光を効率良く画像表示素子へ伝搬させて、照明装置の光学系における光損失を少なくし、また、スクリーン上に拡大投影される画像における面内均一性を高めるために、画像表示素子を照明する光束を面内で均一化することが重要である。

板状ガラス光学素子であるレンズアレイ素子は、照明光束の均一化を目的として使用される。照明光束を均一化するための光学系の例を、図８に示す。この光学系は、光源として発光ダイオードを用いた例である。発光ダイオード２１〜２３から出射された光は、まずレンズ２４〜２６によって平行光化される。この平行光化した幅広い光束は、プリズム２７〜２９と光学薄膜３０〜３１とで構成された３色合成プリズムで色合成される。

色合成された光は、複数のセル状レンズが同一面内に配置されたレンズアレイ部３２で分割される。この分割光は、レンズ３３、３４、偏光ビームスプリッタ３５を経て、その分割された１つ１つの光束が、画像表示素子３６上で重畳されて画像表示素子３６を照明する。画像表示素子３６によって変調された光は、投写手段３７によってスクリーン（図示せず）に投写される。

レンズアレイ部３２は、光源側に配置された第１レンズアレイ素子３８、被照明物側に配置された第２レンズアレイ素子３９を含む。第１レンズアレイ素子３８を構成する個々のレンズの形状は、被照明物の形状と相似形である。第１レンズアレイ素子３８の１つ１つのレンズで分割された光束が、対応する分割数を有する第２レンズアレイ素子３９のレンズによって、画像表示素子３６上に重畳されながら結像される。これにより、光変調素子３６を均一に照明することができる。

レンズアレイ素子が投写型画像表示装置に設置される際には、レンズアレイ素子の光学機能面である光透過面が光学系の光軸に対して正確に配置される必要がある。レンズアレイ素子の中心と光軸とのずれや、光軸に対するレンズアレイ素子の上下左右方向の角度ずれがあると、正確な光路が得られなくなり，光の利用効率が極端に低下し、投写画像が暗くなる。また照度むらを生じるなどの不都合を生じる。

矩形板状のレンズアレイ素子を光軸、すなわち他の光学要素と精度良く位置合わせして設置するために、レンズアレイ素子の端面を基準面として用いる方法が知られている。この基準面を用いる場合、レンズアレイ素子の端面の形状精度が非常に重要になる。

特許文献１には、レンズアレイ素子の端面を位置合わせの基準面として用いるために、レンズアレイ素子の隣接する２つの端面に、板面に対して垂直な基準面を金型により成型した構成が開示されている。端面における基準面以外の領域は、セル状レンズが形成された側の板面に向かって若干内側に傾斜する抜け勾配が形成された傾斜面となっている。

そのような構成によれば、基準面を利用した正確な位置決めができる。すなわち、レンズアレイ素子の上下方向に相当する辺と左右方向に相当する辺の両方を利用した位置合わせを容易に行なうことができ、レンズアレイ素子の上下左右方向の角度ずれを防止できる。基準面以外の端面領域は、抜け勾配が形成された傾斜面となっているので、成形後の離型が容易である。これに対して、基準面は板面に対して垂直であるため、精度の高い位置決めが可能である。
特開２００５−１０７４１０号公報

投写型画像表示装置の用途は、プレゼンテーションのための各種業務用から家庭用に至るまで拡大している。これに伴なって装置の小型化が要求され、光学部品についても小型化、高精度化の要求は強い。

レンズアレイ素子を金型を用いて成形する場合、厳しい形状精度の要求に応じるために、成形時の圧力は高く設定せざるを得ない。そのため、十分な抜き勾配が設けられないと、離型が困難になる。

特許文献１の構成では、基準面のみを板面に対して垂直に形成して位置合わせの精度を確保し、他の部分の端面は抜き勾配を有する傾斜面とすることにより、成形工程における
離型性を確保している。

ところが、そのような構成にすると、垂直な基準面と傾斜面との境界部分には段差が形成される。この段差に起因して、境界部分、すなわち基準面の領域の側端が離型時に好ましくない変形を生じる場合がある。そのため、位置合わせの精度が損なわれてしまう。

本発明は、上記問題を解消するために、矩形板状の端面に光学的な位置合わせのために設けられる基準面について、金型を用いて成形される際の離型に起因する精度不良の発生が抑制されたレンズアレイ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレンズアレイ素子は、矩形板状の外形を有してその板面を光透過面とし、少なくとも一方の前記板面に複数のセル状レンズが形成された構成を有し、前記矩形板状の外形における端面は、一方の前記板面から他方の前記板面に向かって内側に倒れた傾斜面を形成し、前記端面うち、少なくとも隣接する２つの端面にはその一部に、前記板面に対して垂直な基準面が形成され、前記端面の傾斜面と並んだ前記基準面の領域の正面視形状は台形であり、前記台形の斜辺が前記一方の板面から前記他方の板面に向かうように配置され、前記台形の上底が前記他方の板面の側に配置されていることを特徴とする。

なお、本発明の構成は、レンズアレイ素子が樹脂成型される場合でもガラス成型される場合でも適用可能である。

上記構成のレンズアレイ素子によれば、端面の傾斜面と並んだ基準面の領域の正面視形状が台形であり、端面の傾斜面と同様の抜き勾配を形成するので、基準面の領域における段差部の部分の離型性が改善され、基準面の領域が損傷を受けることなく、精度の良い形状を得ることができる。

従って、レンズアレイ素子を他の光学素子に対して精度よく位置決めすることができ、投写型表示装置等において、レンズアレイの中心と光学系の光軸とを正確に位置合わせすることができるので、光の利用効率を高め投光画像を明るく保ち、照度むらなどの不都合が生じるのを回避できる。

本発明は上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、上記構成のレンズアレイ素子において、前記板面の縁の稜線部が面取り加工されていることが好ましい。また、前記基準面の領域が形成する前記台形における前記上底の上部領域は、前記上底から前記板面の縁の前記稜線部に繋がる斜面を形成していることが好ましい。それらにより、離型性を更に向上させることができる。

本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源からの光が入射し、照明光として出射される照明光学系と、前記照明光学系からの照明光を変調して画像を形成する画像表示素子と、前記画像表示素子によって変調された光をスクリーン上に投写する投写光学系とを備え、前記照明光学系は、上記いずれかの構成のレンズアレイ素子を含み、前記レンズアレイ素子は、前記照明光学系の他の要素に対して、前記基準面を用いて位置決めされていることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるレンズアレイ素子１を示す斜視図である。このレンズアレイ素子１は、投写型画像表示装置の光学系等に用いられるものである。図２は、レンズアレイ素子１の平面図である。図３は、図２における矢印Ａの方向に見た正面図、図４は、同矢印Ｂの方向に見た側面図である。但し、図１には、本実施の形態の特徴である箇所が誇張され、細部は省略して示されている。従って、図２〜図４に示されたレンズアレイ素子１の形状は、図１に示された形状とは異なる部分がある。

図１〜４に示すように、レンズアレイ素子１は、全体がほぼ矩形板状の外形を有し、その板面が光透過面とされている。その板面の一方である上面２に、複数のセル状レンズ３が、マトリクス状に配列されて形成されている。レンズアレイ素子１の外縁を形成する四辺の端面４のうち、隣接する２つの端面４には基準面５が形成されている。基準面５は、他の光学素子とレンズアレイ素子１を位置合わせする際の位置決めに用いられる。

端面４は、図における裏面６の側からセル状レンズ３が形成された上面２の側に向かって、内側に倒れるように傾斜した傾斜面を形成している。端面４の傾斜面は、金型を用いた成型によりレンズアレイ素子１を成形する際の、抜け勾配として機能させるために設けられる。

端面４の傾斜面の状態を、図５に、端面４の領域を拡大した側面図により示す。これに対して、基準面５は、矩形板状の板面に対して垂直、言い変えると、セル状レンズ３の光軸に平行に形成されている。そのため、図５に明確に示されるように、端面４の傾斜面と基準面５の境界部分には段差が形成され、基準面５の領域に対する側面部７を形成している。なお図５に示されるように、上面２及び裏面６の縁の稜線部は、面取り加工が施されてＲ部８を形成している。このＲ部８も、成形時の離型性を向上させるために設けられる。

図３、及び図４に明示されるように、端面４の傾斜面と並んだ基準面５の領域の正面視形状は台形である。基準面５の部分を拡大した正面図を図６に示す。その台形の斜辺すなわち基準面５の側面部７は、レンズアレイ素子１の矩形板状の外形の裏面６の側から上面２の側に向かうように配置されている。従って、側面部７が台形の斜辺に対応し、上面２の側が台形の上底９となっており、台形の斜辺すなわち側面部７は、端面４の傾斜面が上面２に向かって内側に倒れているのと同様に、上面２に向かって台形の内側に倒れている。

基準面５の領域が形成する台形における、上底９の上部領域は、上底９から上面２の縁の稜線部に繋がる斜面１０を形成している。これも、成形時の離型性を向上させるための構成である。

上記構成のレンズアレイ素子１は、金型を用いて成形される。成形に用いる金型の概要を図７に断面で示す。金型は、下型１１と上型１２により構成され、両型間にキャビティ１３が形成される。下型１１におけるキャビティ１３を形成する面は、平坦である。上型１２におけるキャビティ１３を形成する面は、レンズアレイ素子１に対応した形状となっている。なお、セル状レンズ３を形成するための面は、図示が省略されている。

上型１２におけるキャビティ１３を形成する面に対して付された参照符号は、図１等に示したレンズアレイ素子１の各部分の参照符号に対応している。すなわち、各参照符号の数字の部分は、上型１２とレンズアレイ素子１の対応する各部と同一である。

上面形成面２ａによりレンズアレイ素子１の上面２が形成され、端面形成面４ａにより端面４が形成される。基準面形成面５ａにより基準面５が形成され、側面部形成面７ａにより側面部７が形成される。この金型により成形を行い、成形品を離型させる際には、下型１１と上型１２を上下方向に分離させる。

端面形成面４ａの傾斜が、成形品を離型させる際の抜き勾配となっていることが判る。基準面形成面５ａには抜き勾配がないが、側面部形成面７ａが、端面形成面４ａと同じ向きの抜き勾配を形成している。これにより、基準面５の領域における側面部７の部分の離型性が改善され、基準面５の領域が損傷を受けることなく、精度の良い形状を得ることができる。

以上のような、本実施の形態の効果について確認するために、基準面５の正面視形状が台形ではなく矩形である場合との間で、離型性の比較を行なった。その結果、基準面５の正面視形状が矩形である場合、成形後の側面部７近傍で好ましくない変形を生じ、基準面５を用いた位置決めに影響を与えることが判った。また、本実施の形態のように、抜き勾配のない基準面５を形成しても、基準面５の正面視形状が台形であって側面部７の抜き勾配が設けられた場合は、離型に際して、基準面５の機能に影響を与えるような変形の発生を十分に抑制可能であることが判った。

上述のような構成のレンズアレイ素子１は、例えば、以下のようにして投写型画像表示装置の光学系等に組み込むことができる。すなわち、レンズアレイ素子１のセル状レンズ３が形成された面に対応する開口部を有する枠体に、レンズアレイ素子１の端面４に対向する枠体基準面が設けられる。この枠体基準面に、レンズアレイ素子１の隣接する２辺に形成された基準面５を当接嵌合させる。そして、基準面５の反対側のレンズアレイ素子１の端面４を、枠体に固定した押圧部材により押圧する。それにより、レンズアレイ素子１の基準面５が枠体基準面により精度良く位置決めされる。枠体は、光学系の光路上に、その他の光学部品と光軸が一致するように正確に位置決め固定される。

本実施の形態のレンズアレイ素子１では、セル状レンズ３と基準面５とは金型によって一体成型されているため、基準面５からレンズアレイの中心までの距離は、ほぼ金型精度によって決まり、その精度品質の安定性が高い。しかも、基準面５は、レンズアレイ素子１の矩形板状の板面に対して垂直に形成されているため、基準面５を枠体基準面に当接させる際に、精度よく位置決めすることが可能である。また、レンズアレイ素子１を枠体に固定するための押圧力に対して、基準面５と枠体基準面の位置関係を安定して保持することが可能であり、押圧力による位置ずれを生じ難い。

なお、上述のレンズアレイ素子１の例では、基準面５は、四辺の端面４のうち隣接する２つの端面４に形成されているが、これに限られることはない。同時に他の端面４にも形成された構成を採用することもできる。

また、上記実施の形態の構成は、レンズアレイ素子が樹脂成型される場合でもガラス成型される場合でも、適用可能である。

本発明のレンズアレイ素子によれば、その板面形状の外形の端面に設けられた基準面について、精度の良い形状を得ることができ、他の光学素子に対して精度よく位置決めすることができるので、投写型表示装置等に用いるのに好適である。

本発明の実施の形態におけるレンズアレイ素子を示す斜視図 同レンズアレイ素子の平面図 図２における矢印Ａの方向に見た正面図 同矢印Ｂの方向に見た側面図 図２における端面４の領域を拡大した側面図 図２における基準面５の部分を拡大した正面図 本発明の実施の形態におけるレンズアレイ素子の成型に用いる金型の概要を示す断面図 レンズアレイ素子を適用した投写型画像表示装置の概略構成を示す正面図

符号の説明

１ レンズアレイ素子
２ 上面
２ａ 上面形成面
３ セル状レンズ
４ 端面
４ａ 端面形成面
５ 基準面
５ａ 基準面形成面
６ 裏面
７ 側面部
７ａ 側面部形成面
８ Ｒ部
９ 上底
１０ 斜面
１１ 下型
１２ 上型
１３ キャビティ

Claims (4)

1. 矩形板状の外形を有してその板面を光透過面とし、少なくとも一方の前記板面に複数のセル状レンズが形成されたレンズアレイ素子であって、
   前記矩形板状の外形における端面は、一方の前記板面から他方の前記板面に向かって内側に倒れた傾斜面を形成し、
   前記端面うち、少なくとも隣接する２つの端面にはその一部に、前記板面に対して垂直な基準面が形成され、
   前記端面の傾斜面と並んだ前記基準面の領域の正面視形状は台形であり、前記台形の斜辺が前記一方の板面から前記他方の板面に向かうように配置され、前記台形の上底が前記他方の板面の側に配置されていることを特徴とするレンズアレイ素子。
2. 前記板面の縁の稜線部が面取り加工されている請求項１記載のレンズアレイ素子。
3. 前記基準面の領域が形成する前記台形における前記上底の上部領域は、前記上底から前記板面の縁の前記稜線部に繋がる斜面を形成している請求項１または２記載のレンズアレイ素子。
4. 光源と、
   前記光源からの光が入射し、照明光として出射される照明光学系と、
   前記照明光学系からの照明光を変調して画像を形成する画像表示素子と、
   前記画像表示素子によって変調された光をスクリーン上に投写する投写光学系とを備え、
   前記照明光学系は、請求項１〜３いずれか１項に記載のレンズアレイ素子を含み、
   前記レンズアレイ素子は、前記照明光学系の他の要素に対して、前記基準面を用いて位置決めされていることを特徴とする投写型表示装置。

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