JP5262849B2 - プロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクター、特に、回折光学素子による回折光を利用して画像を表示するプロジェクターに関する。

一つの空間光変調装置によって複数の色光を変調する、いわゆる単板式プロジェクターは、色光ごとに設けられた複数の空間光変調装置を設ける場合に比較して、プロジェクターを簡易な構成とし、小型にできるという利点がある。従来、単板式プロジェクターの一つとして、空間光変調装置に対して互いに異なる入射角で各色光を入射させることにより、各画素へ各色光を振り分けるカラー表示方式を採用するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、単板式プロジェクターにおいて、回折光学素子を用いて、各画素へ各色光を振り分ける技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。回折光学素子は、コヒーレント光であるレーザー光を回折させることにより、照射領域の整形及び拡大、照射領域における光量分布の均一化を行う。回折光学素子に複数の機能を持たせることで、プロジェクターは、さらにコンパクトにできる。回折光学素子としては、例えば、計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を用いる。ＣＧＨは、比較的設計が容易であること、高精度な形状を作製できること、転写によって容易に複製品を作製できることが長所として挙げられる。

特開平４−６０５３８号公報 特開２００７−２８６１１０号公報

ＣＧＨは、入射光の主光線に対して射出光の主光線の角度が大きくなるように光を偏向させるほど、所望の回折光を得る効率が低下することが知られている。ＣＧＨからの複数の色光を一つの空間光変調装置の照射領域にて重畳させる場合、ＣＧＨで各色光を偏向させることによる光利用効率の低下が課題となる。本発明は、簡易かつ小型な構成で、高い光利用効率のプロジェクターを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るプロジェクターは、互いに異なる波長域の色光であるコヒーレント光を射出する複数の光源部と、複数の光源部から入射したコヒーレント光を回折させ、回折光を射出する回折光学素子と、回折光学素子から入射した回折光の光束を平行化させる平行化レンズと、平行化レンズから入射した光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有し、回折光学素子は、複数の光源部からの複数の色光のうちの少なくとも一つの光束を偏向させることにより、平行化レンズで平行化された複数の色光を空間光変調装置の照射領域にて重畳させ、複数の色光の中でピーク波長が最も短い色光の、回折光学素子における主光線の角度変化が、複数の色光のうちの少なくとも一つの色光の、回折光学素子における主光線の角度変化より小さいことを特徴とする。

回折光学素子での偏向による光利用効率の低下は、光が短波長であるほど顕著となる。ピーク波長が最小である色光について、回折光学素子での主光線の角度変化を他の色光より小さくすることにより、ピーク波長が最小である色光について回折光学素子での角度変化による回折効率の低下を低減させる。ピーク波長が最小である色光の回折効率低下を低減させることにより、各色光全体として光利用効率の低下を低減させる。プロジェクターは、複数の色光を変調する空間光変調装置と回折光学素子とを用いることで、簡易かつ小型な構成にできる。これにより、簡易かつ小型な構成で、高い光利用効率のプロジェクターを得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、ピーク波長が最も短い色光は、複数の色光のうちで、回折光学素子における主光線の角度変化が最小であることが望ましい。これにより、光利用効率の低下をさらに低減できる。

また、本発明の好ましい態様としては、ピーク波長が最も短い色光は、回折光学素子における主光線の入射角度と出射角度とが略同じであることが望ましい。これにより、光利用効率の低下をさらに低減できる。

また、本発明の好ましい態様としては、空間光変調装置は、照射領域の中心位置を、平行化レンズの光軸からシフトさせて配置されることが望ましい。空間光変調装置は、ピーク波長が最も短い色光の主光線が照射領域の中心位置へ入射するように配置される。これにより、マイクロレンズの中心位置と、画素の中心位置とを略一致させたマイクロレンズアレイを用いて、互いに異なる入射角度で入射する各色光をサブ画素へ振り分ける構成を実現できる。

また、本発明の好ましい態様としては、照射領域における画素と略同じピッチで設けられた複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイは、マイクロレンズを並列させる二次元方向において、マイクロレンズの中心位置を、画素の中心位置からシフトさせて配置されることが望ましい。マイクロレンズアレイは、画素のうちピーク波長が最も短い色光が入射するサブ画素の中心位置と、マイクロレンズの中心位置とが同軸上となるように配置される。各色光の光束がいずれも平行化レンズの中心付近を通過することが可能となるため、平行化レンズを小型にでき、平行化レンズに起因する収差を低減させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、照射領域における画素と略同じピッチで設けられた複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイを有し、マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズを並列させる二次元方向において、マイクロレンズの中心位置を、画素の中心位置と略一致させて配置されることが望ましい。これにより、光軸から中心位置をシフトさせて空間光変調装置を配置することで、互いに異なる入射角度で入射する各色光をサブ画素へ振り分ける構成を実現できる。

また、本発明の好ましい態様としては、ピーク波長が最も短い色光は、青色光であることが望ましい。これにより、赤色光、緑色光、青色光を用いる構成において、高い光利用効率にできる。

実施例１に係るプロジェクターの概略構成を示す模式図である。 図１に示す構成の一部を示す斜視図である。 空間光変調装置における画素の平面模式図である。 従来の単板式プロジェクターの一般的な構成を説明する図である。 回折効率と、主光線の入射角度及び出射角度の差との関係を示す図である。 実施例１に係るプロジェクターの特徴部分を説明する図である。 画素とマイクロレンズとの対応について説明する断面模式図である。 実施例２に係るプロジェクターの特徴部分を説明する図である。 画素とマイクロレンズとの対応について説明する断面模式図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るプロジェクター１０の概略構成を示す模式図である。プロジェクター１０は、一つの空間光変調装置１４によって三つの色光を変調する、いわゆる単板式プロジェクターである。赤色（Ｒ）光用光源部１１Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源部１１Ｇ、青色（Ｂ）光用光源部１１Ｂは、コヒーレント光であるレーザー光を射出する光源部であって、互いに異なる波長域の色光を射出する。Ｒ光用光源部１１Ｒは、Ｒ光を射出するレーザー光源であって、例えば、半導体レーザーを備える。Ｇ光用光源部１１Ｇは、Ｇ光を射出するレーザー光源であって、例えば、半導体励起固体（Diode Pumped Solid State：ＤＰＳＳ）レーザーを備える。Ｂ光用光源部１１Ｂは、Ｂ光を射出するレーザー光源であって、例えば、半導体レーザーを備える。

回折光学素子であるＣＧＨ１２は、各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂから入射したレーザー光を回折させ、回折光を射出する。ＣＧＨ１２は、ガウス強度分布を持つレーザービームを、空間光変調装置１４の矩形形状へ整形し、さらに光量分布を均一化させる。プロジェクター１０は、例えば、ＣＧＨ１２で生じた一次回折光を変調することにより、画像を表示する。平行化レンズ１３は、ＣＧＨ１２から入射した回折光の光束を平行化させる。ＣＧＨ１２及び平行化レンズ１３は、空間光変調装置１４の照射領域にて各色光を重畳させる。

空間光変調装置１４は、平行化レンズ１３から入射した光を画像信号に応じて変調する。空間光変調装置１４は、例えば、透過型液晶表示装置である。空間光変調装置１４は、複数のマイクロレンズをアレイ状に並列させたマイクロレンズアレイ（図示省略）を有する。投写レンズ１５は、空間光変調装置１４で変調された光をスクリーン（図示省略）に投写させる。なお、マイクロレンズアレイは、空間光変調装置１４に付属するものである場合に限られず、空間光変調装置１４とは別のものとしても良い。

図２は、図１に示す構成の一部を示す斜視図である。プロジェクター１０は、一つのＲ光用光源部１１Ｒ、一つのＢ光用光源部１１Ｂ、二つのＧ光用光源部１１Ｇを有する。各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、射出光束の主光線が互いに略平行になるように設置されている。また、各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、射出光束の主光線に垂直な面方向において二行二列の行列状に配置されている。なお、主光線とは、光束の中心の光線であるものとし、各図において一点鎖線で表している。

ＣＧＨ１２は、微小な凹凸が表面に施された表面レリーフ型の回折光学素子の一つである。各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからの各色光は、ＣＧＨ１２の入射面のうち互いに異なる領域へ入射する。ＣＨＧ１２は、それぞれの色光が入射する領域ごとに、色光の波長に応じて、凹凸の幅、配置パターンを含む表面条件が最適化されている。表面条件を最適化する設計手法としては、例えば反復フーリエ変換等、所定の演算手法（シミュレーション手法）を用いる。

ＣＧＨ１２は、例えば、所望の形状を備えるモールド（型）を形成した後、モールドの形状を基板に熱転写する、いわゆるナノインプリントの手法を用いて製造する。この他、ＣＨＧ１２は、所望の形状を形成可能であれば、従来用いられる他の手法により製造することとしても良い。なお、ＣＧＨ１２は、色光ごとに分割されたものとしても良い。回折光学素子は、ＣＧＨ１２に限られず、他の表面レリーフ型回折光学素子や、二光束干渉法等によって作製される体積型回折光学素子等を用いても良い。

図３は、空間光変調装置１４における画素１６の平面模式図である。図では、空間光変調装置１４における多数の画素１６のうちの四つを示している。画素１６は、一つのＲ光用サブ画素１７Ｒ、一つのＢ光用サブ画素１７Ｂ、二つのＧ光用サブ画素１７Ｇからなる。Ｒ光用サブ画素１７Ｒは、画像信号に応じてＲ光を変調する。Ｇ光用サブ画素１７Ｇは、画像信号に応じてＧ光を変調する。Ｂ光用サブ画素１７Ｂは、画像信号に応じてＢ光を変調する。一つの画素１６を構成する四つの各サブ画素１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂは、被照射面において二行二列の行列状に配置されている。各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配置は、各サブ画素１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂの配置に対応している。なお、本実施例で説明する画素配置は一例であって、従来知られるいずれの配置としても良い。プロジェクター１０は、空間光変調装置１４の画素配置に応じて、適宜構成可能である。

図４は、ＣＧＨ２１を備える従来の単板式プロジェクターが採用する一般的な構成を説明するものである。ここでは、Ｒ光用光源部１１ＲからのＲ光と、Ｂ光用光源部１１ＢからのＢ光とを例示している。一般に、プロジェクターの光学系を構成する各要素は、光軸ＡＸを中心として配置されている。光軸ＡＸは、平行化レンズ１３の光軸とする。各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、光軸ＡＸを中心として配置されている。空間光変調装置１４の照射領域の中心位置Ｃは、光軸ＡＸ上の位置とされる。

各色の光束は、ＣＧＨ２１の入射面において、光軸ＡＸを中心として略対称な位置に入射する。ＣＧＨ２１は、光軸ＡＸを中心とする照射領域において各色光を重畳させるために、各色光の光束を偏向させる。Ｒ光の主光線ＬＲ、Ｂ光の主光線ＬＢは、いずれも、ＣＧＨ２１での回折により、光軸ＡＸ側へ折り曲げられる。Ｇ光の主光線も、Ｒ光の主光線ＬＲ、Ｂ光の主光線ＬＢと同様に折り曲げられる。ＣＧＨ２１における主光線の入射角度と出射角度との差は、各色光とも同等とされる。

図５は、ＣＧＨ２１によるＲ光及びＢ光の回折効率と、ＣＧＨ２１における主光線の入射角度及び出射角度の差との関係を表すグラフである。回折効率は、ＣＧＨ２１から射出させる光全体に対する、一次回折光の割合であるとする。Ｂ光、Ｒ光のいずれも、主光線の入射角度と出射角度との差が大きくなるほど、回折効率が低下する。回折効率の低下は、光の波長が短いほど顕著となる。従って、ＣＧＨ２１で各色光を同等に偏向させることとすると、Ｒ光及びＧ光に対して短波長であるＢ光は、利用効率が著しく低下することとなる。

図６は、本実施例に係るプロジェクター１０の特徴部分を説明するものである。ここでは、Ｒ光用光源部１１ＲからのＲ光と、Ｂ光用光源部１１ＢからのＢ光とを例示している。各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、光軸ＡＸを中心として配置されている。ＣＧＨ１２へ入射するＢ光の主光線ＬＢ、ＣＧＨ１２から射出するＢ光の主光線ＬＢのいずれも、ＣＧＨ１２の入射面に略垂直であって、光軸ＡＸに略平行である。Ｂ光は、ＣＨＧ１２における主光線の入射角度と出射角度とが略同じである。なお、主光線の入射角度、出射角度とは、いずれも光軸ＡＸと主光線とがなす角度とする。本実施例において、Ｂ光の主光線ＬＢの入射角度と出射角度は、いずれもゼロである。

これに対して、ＣＨＧ１２は、Ｒ光及びＧ光については光束を偏向させることにより、平行化レンズ１３で平行化された各色光を空間光変調装置１４の照射領域にて重畳させる。例えば、図２に示すように各色光用光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを配置する場合に、図中、Ｂ光用光源部１１Ｂに対して紙面上側の位置に配置されているＧ光用光源部１１ＧからのＧ光の主光線は、紙面下側へ向けて角度を変化させる。Ｂ光用光源部１１Ｂに対して紙面左側の位置に配置されているＧ光用光源部１１ＧからのＧ光の主光線は、紙面右側へ向けて角度を変化させる。Ｂ光用光源部１１Ｂの紙面左斜め上側の位置に配置されているＲ光用光源部１１ＲからのＲ光の主光線は、紙面右斜め下側へ向けて角度を変化させる。各色光の主光線は、光軸ＡＸからＢ光の主光線の側へシフトした位置にて交わる。空間光変調装置１４は、各色光の主光線が交わる位置に中心位置Ｃを一致させて配置されている。このように、空間光変調装置１４は、光軸ＡＸから中心位置Ｃをシフトさせて配置されている。

図７は、画素１６とマイクロレンズ１８との対応について説明する断面模式図である。マイクロレンズアレイを構成する複数のマイクロレンズ１８は、空間光変調装置１４の照射領域における画素１６と同じピッチで設けられている。複数のマイクロレンズ１８は、光軸ＡＸに垂直な二次元方向についてアレイ状に配置されている。また、図中二点鎖線で示すように、マイクロレンズ１８の中心位置と画素１６の中心位置とは、光軸ＡＸに垂直な面内において一致している。各色光は、色光ごとに異なる入射角度でマイクロレンズ１８へ入射するため、色光ごとに異なる位置のサブ画素１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂに集光される。プロジェクター１０は、光軸ＡＸから中心位置Ｃをシフトさせて空間光変調装置１４を配置することで、互いに異なる入射角度で入射する各色光をサブ画素１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂへ振り分ける構成を実現できる。また、マイクロレンズアレイを設けることにより、マイクロレンズ１８に入射した各色光を異なる位置に集光させ、各サブ画素に各色光を高精度に分配することができる。

プロジェクター１０は、各色光を変調する空間光変調装置１４とＣＧＨ１２とを用いることで、簡易かつ小型な構成にできる。また、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の中でピーク波長が最も短いＢ光について、ＣＧＨ１２における主光線の角度変化を無くすことで、ＣＧＨ２１での角度変化による回折効率の低下が最も顕著なＢ光について、回折効率の低下を低減させる。Ｂ光の回折効率低下を低減させることにより、各色光全体として光利用効率の低下を低減させる。これにより、簡易かつ小型な構成で、高い光利用効率にできるという効果を奏する。

プロジェクター１０は、Ｂ光用光源部１１Ｂから平行化レンズ１３の間において、Ｂ光の主光線ＬＢを光軸ＡＸに平行とする場合に限られない。ＣＧＨ１２におけるＢ光の主光線ＬＢの入射角度と出射角度とが略同じであれば良く、Ｂ光の主光線ＬＢは、光軸ＡＸとは非平行としても良い。また、プロジェクター１０は、ＣＧＨ１２におけるＢ光の主光線の入射角度と出射角度とが同じである場合に限られない。プロジェクター１０は、ＣＧＨ１２におけるＢ光の主光線ＬＢの角度変化が、Ｒ光の主光線ＬＲ、Ｇ光の主光線の角度変化に対して小さければ良い。さらに、プロジェクター１０は、ＣＧＨ１２におけるＢ光の主光線ＬＢの角度変化が、Ｒ光の主光線ＬＲ、Ｇ光の主光線の少なくとも一つのＣＧＨ１２における角度変化より小さければ良い。これにより、各色光全体として光利用効率の低下を低減させる効果を得ることができる。

図８は、本発明の実施例２に係るプロジェクターの特徴部分を説明するものである。本実施例は、中心位置Ｃが光軸ＡＸ上となるように空間光変調装置１４が配置されていることを特徴とする。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。Ｂ光の主光線ＬＢは、光軸ＡＸと略一致する。Ｂ光用光源部１１Ｂは、光軸ＡＸ上に配置されている。各色光の主光線は、空間光変調装置１４の中心位置Ｃにて交わる。

図９は、画素１６とマイクロレンズ１８との対応について説明する断面模式図である。図中二点鎖線で示すように、マイクロレンズ１８の中心位置と、Ｂ光用サブ画素１７Ｂの中心位置とは、光軸ＡＸに垂直な面内において一致している。本実施例では、マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズ１８を並列させる二次元方向において、マイクロレンズ１８の中心位置を、画素１６の中心位置からＢ光用サブ画素１７Ｂの位置にシフトさせて配置されている。

マイクロレンズ１８の中心位置とＢ光用サブ画素１７Ｂの中心位置とを一致させることにより、光軸ＡＸに略平行に進行するＢ光をＢ光用サブ画素１７Ｂにて集光させる。また、Ｒ光及びＧ光はそれぞれ異なる入射角度でマイクロレンズ１８へ入射し、それぞれサブ画素１７Ｒ、１７Ｇに集光される。本実施例の場合も、プロジェクターは、簡易かつ小型な構成とし、高い光利用効率にすることが可能となる。

本実施例によると、各色光の光束をいずれも平行化レンズ１３の中央部分へ通過させることが可能となるため、平行化レンズ１３を小型にできる。また、平行化レンズ１３は、球面収差を小さくできる部位のみを使用することが可能となる。これにより、平行化レンズ１３として安価な球面レンズを適用する場合でも、平行化レンズ１３に起因する収差を低減させることができる。

プロジェクターは、フロント投写型プロジェクター、リアプロジェクターのいずれであっても良い。フロント投写型プロジェクターは、スクリーンに光を投写させ、スクリーンで反射する光を観察することで画像を鑑賞するプロジェクターである。リアプロジェクターは、スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から射出される光を観察することで画像を鑑賞するプロジェクターである。

１０ プロジェクター、１１Ｒ Ｒ光用光源部、１１Ｇ Ｇ光用光源部、１１Ｂ Ｂ光用光源部、１２ ＣＧＨ、１３ 平行化レンズ、１４ 空間光変調装置、１５ 投写レンズ、１６ 画素、１７Ｒ Ｒ光用サブ画素、１７Ｂ Ｇ光用サブ画素、１７Ｇ Ｂ光用サブ画素、１８ マイクロレンズ、２１ ＣＧＨ、ＡＸ 光軸、Ｃ 中心位置、ＬＲ、ＬＢ 主光線

Claims (4)

1. 互いに異なる波長域の色光であるコヒーレント光を射出する複数の光源部と、
   前記複数の光源部から入射した前記コヒーレント光を回折させ、回折光を射出する回折光学素子と、
   前記回折光学素子から入射した前記回折光の光束を平行化させる平行化レンズと、
   前記平行化レンズから入射した光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有し、
   前記回折光学素子は、前記複数の光源部からの複数の色光のうちの少なくとも一つの光束を偏向させることにより、前記平行化レンズで平行化された前記複数の色光を前記空間光変調装置の照射領域にて重畳させ、
   前記複数の色光の中でピーク波長が最も短い色光の、前記回折光学素子における主光線の角度変化が、前記複数の色光のうちの少なくとも一つの色光の、前記回折光学素子における主光線の角度変化より小さく、
   前記ピーク波長が最も短い色光は、前記複数の色光のうちで、前記回折光学素子における主光線の角度変化が最小であり、前記回折光学素子における前記主光線の入射角度と出射角度とが略同じであり、
   前記空間光変調装置は、前記照射領域の中心位置を、前記平行化レンズの光軸からシフトさせて配置されることを特徴とするプロジェクター。
2. 前記照射領域における画素と略同じピッチで設けられた複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイを有し、
   前記マイクロレンズアレイは、前記複数のマイクロレンズを並列させる二次元方向において、前記マイクロレンズの中心位置を、前記画素の中心位置からシフトさせて配置されることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
3. 前記照射領域における画素と略同じピッチで設けられた複数のマイクロレンズを備えるマイクロレンズアレイを有し、
   前記マイクロレンズアレイは、前記複数のマイクロレンズを並列させる二次元方向において、前記マイクロレンズの中心位置を、前記画素の中心位置と略一致させて配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクター。
4. 前記ピーク波長が最も短い色光は、青色光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロジェクター。

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