JP6160144B2 - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関する。

従来より、照明装置から射出された照明光により光変調装置を照明し、その光変調装置により変調されて射出された画像光を投射光学系によりスクリーンに拡大投射するプロジェクターが広く知られている。

このようなプロジェクターが備える照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザ（ＬＤ）などのレーザ光源が注目されている。レーザ光源は、従来のメタルハライドランプやハロゲンランプ等に比べて、小型化が図れることや、色再現性に優れること、瞬時点灯が可能であること、長寿命であることなどの利点を有している。

特開平１１−６４７８９号公報 特開２０００−１６２５４８号公報

上述したプロジェクターにおいて表示品質に優れた映像表示を行うためには、照明対象となる光変調装置に照射する照明光の照度分布の均一性を高める必要がある。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、より均一な照度分布を有する照明光を照射できる照明装置、並びにそのような照明装置を備えたプロジェクター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、本発明に係る照明装置は、光源と、前記光源から射出された光が入射する回折光学素子と、前記回折光学素子から射出される回折光が入射する重畳光学系とを備え、前記回折光の中心部での主光線の方向が前記重畳光学系の光軸と一致し、前記光源から射出された光を前記回折光学素子の光入射面に対して垂直に入射させると共に、前記回折光の中心部での主光線の方向が前記光源から射出された光の光軸に対して傾いていることを特徴とする。

上記照明装置の構成によれば、回折光の中心部での主光線の方向が重畳光学系の光軸と一致していることから、重畳光学系による収差を小さくしながら、より均一な照度分布を有する照明光を照射することができる。

また、この構成によれば、回折光学素子の回折光学設計が容易となると共に、回折光学素子から射出される回折光を重畳光学系に対して効率的に入射させることができる。

さらに、回折光の中心部での主光線の方向が前記光源から射出された光の光軸に対して５〜２０°の角度で傾いていることが好ましい。

この構成によれば、重畳光学系による収差を小さくしながら、より均一な照度分布を有する照明光を照射することができる。

また、前記重畳光学系は、少なくとも２枚以上のレンズ群から構成され、前記レンズ群の前側の合成焦点位置に前記回折光学素子を配置し、前記レンズ群の後側の合成焦点位置に照明対象を配置することが好ましい。

この構成によれば、重畳光学系により重畳された光を照明対象に対して効率的に入射させることができる。

また、前記回折光学素子は、その光学中心から射出される１次回折光を主光線としたときの配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比が前記照明対象のアスペクト比と一致するような回折光分布を生成することが好ましい。

この構成によれば、矩形状を為す照明対象に対して全体として矩形状を為す照明光を効率的に入射させることができる。

また、前記回折光学素子の光学中心から射出される１次回折光の光軸を水平方向と一致させたときに、前記光源から射出された光が前記回折光学素子に対して上方から下方に向かって入射するように、前記光源と前記回折光学素子とが配置されていることが好ましい。

この構成によれば、プロジェクター用の照明装置として好適に用いることができる。

また、前記回折光学素子として、計算機合成ホログラムを用いることができる。

この構成によれば、１次回折光の回折効率が最大となる回折光を生成し、なお且つ、より均一な照度分布を有する回折光を生成することができる。

また、前記光源として、半導体レーザを用いることができる。

この構成によれば、高輝度・高出力な光が得られると共に、光源の小型化を図ることができる。

また、前記光源として、複数の前記半導体レーザを配列したアレイ光源を用いることができる。

この構成によれば、複数の半導体レーザを配列したアレイ光源を用いて、更に高輝度・高出力な光を得ることができる。

また、前記光源から射出された光を平行光に変換するコリメータ光学系が配置されていることが好ましい。

この構成によれば、光源から射出された光を平行光に変換して回折光学素子に入射させることができる。

また、前記光源と前記回折光学素子との間にアフォーカル光学系が配置されていることとが好ましい。

この構成によれば、光源から射出された光のサイズ（スポット径）を調整しながら、回折光学素子に効率的に入射させることができる。

また、本発明に係るプロジェクターは、照明光を照射する照明装置と、前記照明光を画像情報に応じて変調した画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、前記照明装置として、上記何れかの照明装置を用いることを特徴とする。

上記プロジェクターの構成によれば、画像品質に優れた表示を行うことが可能であり、また、更なる小型化も可能である。

また、前記光源から射出された光が直線偏光であり、前記光変調装置として、液晶パネルを用いた構成としてもよい。

この構成によれば、照明装置から射出される照明光を偏光変換素子等を用いることなく、液晶パネルに入射させることができるため、部品点数の削減を図りつつ、更なる小型化を図ることができる。

また、前記照明装置及び前記光変調装置は、波長域の異なる照明光毎に複数配置され、更に、前記波長域の異なる照明光毎に変調された画像光を合成する合成光学系を備える構成としてもよい。

この構成によれば、波長域の異なる照明光毎に変調された画像光を用いてカラー映像（画像）を表示することができる。

プロジェクターの概略構成を示す平面図である。 照明装置の概略構成を示す平面図である。 回折光学素子と重畳光学系と光変調装置との配置を説明するための光路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

［プロジェクター］
先ず、図１に示すプロジェクター１００の一例について説明する。
なお、図１は、このプロジェクター１００の概略構成を示す平面図である。

このプロジェクター１００は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー映像（画像）を表示する投射型画像表示装置である。また、このプロジェクター１００が備える照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザ（ＬＤ）などのレーザ光源を用いている。

具体的に、このプロジェクター１００は、各々が赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色に対応したレーザ光（照明光）を射出する照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂと、各々が、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂからのレーザ光を画像信号に応じて変調し、各色に対応した画像光を形成する光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂと、各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂからの画像光を合成する合成光学系１０３と、合成光学系１０３からの画像光をスクリーンＳＣＲに向かって投射する投射光学系１０４とを概略備えている。

照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、光源として赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色に対応した半導体レーザを用いる以外は、基本的に同じ構成を有している。そして、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、均一な照度分布を有するように調整された照明光を各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂに向かって照射する。

光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂは、液晶ライトバルブ（液晶パネル）からなり、各々は、各色に対応した照明光を画像情報に応じて変調した画像光を形成する。なお、各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの入射側及び射出側には、偏光板（図示せず。）が配置されており、特定の方向の直線偏光の光のみを通過させる仕組みとなっている。

合成光学系１０３は、クロスダイクロイックプリズムからなり、各光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂからの画像光が入射する。合成光学系１０３は、各色に対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系１０４に向かって射出する。

投射光学系１０４は、投射レンズ群からなり、合成光学系１０３により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

［照明装置］
次に、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの具体的な構成について説明する。
なお、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、上述したように、光源として赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色に対応した半導体レーザを用いる以外は、基本的に同じ構成を有している。したがって、以下の説明では、照明装置１０１Ｒについて説明するものとする。なお、図２は、この照明装置１０１Ｒの概略構成を示す平面図である。

この照明装置１０１Ｒは、図２に示すように、複数の半導体レーザ２ａが配列されたアレイ光源２と、各半導体レーザ２ａから射出された光Ｌ１が入射するコリメータ光学系３と、コリメータ光学系３により平行光に変換された光Ｌ１が入射するアフォーカル光学系４と、アフォーカル光学系４によりサイズ（スポット径）が調整された光Ｌ１が入射する回折光学素子５と、回折光学素子５により回折された光（回折光）Ｌ２が入射する重畳光学系６とを概略備えている。そして、この重畳光学系６により重畳された光Ｌ３が、照明光として光変調装置１０２Ｒに照射される。

アレイ光源２は、光軸ａｘ１と直交する面内に複数の半導体レーザ２ａがアレイ状に並ぶことによって構成されている。また、各半導体レーザ２ａから射出されるレーザ光Ｌ１は、コヒーレントな直線偏光の光であり、互いに平行に射出される。

コリメータ光学系３は、各半導体レーザ２ａに対応してアレイ状に並んで配置された複数のコリメータレンズ３ａからなる。そして、各コリメータレンズ３ａにより平行光に変換されたレーザ光Ｌ１は、アフォーカル光学系４に入射される。

アフォーカル光学系４は、レンズ４ａ，４ｂから構成されている。そして、このアフォーカル光学系４によりサイズ（スポット径）が調整された光Ｌ１は、回折光学素子３に入射される。

回折光学素子５は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）からなる。そして、この回折光学素子５は、１次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。

なお、１次回折光には、＋１次回折光と−１次回折光とがあるが、回折光学素子５では、何れか一方の１次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。また、ＣＧＨを用いた場合、この１次回折光の回折効率を９０％以上（理想的には１００％）とすることが可能である。

ここで、回折光学素子５には、アレイ光源２の各半導体レーザ２ａから射出された複数のレーザ光Ｌ１が入射する。このため、回折光学素子５からは、複数のレーザ光Ｌ１の本数に応じた数の複数の１次回折光が射出される。また、各１次回折光の主光線は互いに平行である。したがって、本発明では、特に断りがない場合はこれら複数の１次回折光の束を１つの回折光Ｌ２として扱うものとする。また、この回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向は、複数の１次回折光の束の中心を通り、且つ、各１次回折光の主光線と平行な方向とする。

また、回折光学素子５は、配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比（縦横比）が照明対象（光変調装置の画像形成領域）のアスペクト比（縦横比）と一致するような回折光分布を生成する。これにより、矩形状を為す光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの画像形成領域に対して全体として矩形状を為す照明光を効率的に入射させることができる。

また、回折光学素子５では、回折光学素子５の入射面５ａに対して光Ｌ１を垂直に入射させることが好ましい。光軸ａｘ１は光入射面５ａと直交している。これにより、上述した回折光Ｌ２を得るためのＣＧＨの回折光学設計が容易となる。一方、回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向は、アレイ光源２から射出された光Ｌ１の光軸ａｘ１に対して傾いている。

重畳光学系６は、重畳レンズ６ａとフィールドレンズ６ｂとの２枚のレンズから構成されている。そして、重畳光学系６は、その光軸ａｘ２を回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向と一致させた状態で配置されている。

ここで、回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向は、アレイ光源２から射出された光Ｌ１の光軸ａｘ１に対して５〜２０°の角度θで傾いていることが好ましい。なお、この角度θは、図２において、光軸ａｘ２が光軸ａｘ１となす鋭角側の角度として表される。これにより、回折光学素子５から射出される回折光Ｌ２のうち、回折効率が最大となる１次回折光を重畳光学系６に対して効率的に入射させることができる。

そして、この重畳光学系６は、回折光学素子５からの回折光Ｌ２を照明対象上で重畳し、この重畳された光Ｌ３を照明光として光変調装置１０２Ｒに照射する。

照明装置１では、回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向が重畳光学系６の光軸ａｘ２と一致していることから、重畳光学系６による収差を小さくしながら、より均一な照度分布を有する照明光を照射することができる。

ここで、回折光学素子５と重畳光学系６と光変調装置１０２Ｒとの配置について、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、図３（ａ）は、回折光学素子５の光学中心Ｓ及びその周辺部から射出された１次回折光の光路図であり、図３（ｂ）は、光変調装置１０２Ｒ側から平行光を照射した場合の光路図であり、図３（ｃ）は、回折光学素子５側から平行光を照射した場合の光路図である。

照明装置１では、図３（ｂ）に示すように、レンズ６ａ，６ｂからなるレンズ群の前側の合成焦点位置に回折光学素子５を配置する。一方、図３（ｃ）に示すように、レンズ６ａ，６ｂからなるレンズ群の後側の合成焦点位置に照明対象としての光変調装置１０２Ｒの画像形成領域を配置する。これにより、図３（ａ）に示すように、重畳光学系６により重畳された光Ｌ３を光変調装置１０２Ｒの画像形成領域に対して効率的に入射させることができる。

また、回折光学素子５から射出される回折光Ｌ２は、複数の１次回折光の束からなっており、各１次回折光は、重畳光学系６により互いに重畳されながら、光変調装置１０２Ｒの画像形成領域において収差の小さい照明光を形成する。これにより、光変調装置１０２Ｒの画像形成領域に対して、より均一な照度分布を有する照明光を照射することができる。

以上のような構成を有する照明装置１では、回折光学素子５としてＣＧＨを用いることによって、重畳光学系６による収差を小さくしながら、より均一な照度分布（明るさ）を有する照明光を生成することができる。そして、このような照明光を照明対象となる上記光変調装置１０２Ｒの画像形成領域に対して効率的に照射することができる。

したがって、この照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂをプロジェクター１００に適用することによって、画像品質に優れた表示を行うことが可能となる。

プロジェクター１００では、アレイ光源２から直線偏光の光Ｌ１が射出されるため、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの各々から射出される照明光をそれぞれ、偏光変換素子等を用いることなく、光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂに入射させることができる。これにより、部品点数の削減を図りつつ、更なる小型化を図ることが可能である。

また、プロジェクター１００において、回折光Ｌ２の中心部での主光線の方向を水平方向と一致させたときに、アレイ光源２から射出された光Ｌ１が回折光学素子５に対して上方から下方に向かって入射するように、アレイ光源２と回折光学素子５とを配置することが好ましい。

プロジェクター１００では、アオリ照明によって、スクリーンＳＣＲ上において下方側が相対的に明くなり、且つ、上方側が相対的に暗くなる画像が表示される。これに対して、照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂでは、光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂの画像形成領域に対して、下方側が相対的に明くなり、且つ、上方側が相対的に暗くなる照明光を照射する。

この場合、照明光は、光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを通過することによって画像光となる。さらに、この画像光は、投射光学系１０４により上下が反転される。これにより、画像光は、スクリーンＳＣＲ上において上方側が相対的に明くなり、且つ、下方側が相対的に暗くなるため、上述したアオリ照明による上下の照度分布をキャンセルすることができる。したがって、プロジェクター１００では、更に画像品質に優れた表示を行うことが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、複数の半導体レーザ２ａを配列したアレイ光源２を例示したが、照明装置１が備える光源については、このような構成に限らず、コヒーレントな直線偏光の光を射出するものであればよい。また、１つの光源からなるものであってもよい。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂを備えるプロジェクター１００を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像（画像）を表示するプロジェクターに適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：米国テキサスインツルメンツ社の登録商標）などを用いることもできる。

１…照明装置 ２…アレイ光源 ２ａ…半導体レーザ ３…コリメータ光学系 ３ａ…コリメータレンズ ４…アフォーカル光学系 ４ａ，４ｂ…アフォーカルレンズ ５…回折光学素子（ＣＧＨ） ６…重畳光学系 ６ａ…重畳レンズ ６ｂ…フィールドレンズ １００…プロジェクター １０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ…照明装置 １０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂ…光変調装置 １０３…合成光学系 １０４…投射光学系 ＳＣＲ…スクリーン

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源から射出された光が入射する回折光学素子と、
   前記回折光学素子から射出される回折光が入射する重畳光学系とを備え、
   前記回折光の中心部での主光線の方向が前記重畳光学系の光軸と一致し、
   前記光源から射出された光を前記回折光学素子の光入射面に対して垂直に入射させると共に、前記回折光の中心部での主光線の方向が前記光源から射出された光の光軸に対して傾いていることを特徴とする照明装置。
2. 前記回折光の中心部での主光線の方向が前記光源から射出された光の光軸に対して５〜２０°の角度で傾いていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記重畳光学系は、少なくとも２枚以上のレンズ群から構成され、
   前記レンズ群の前側の合成焦点位置に前記回折光学素子を配置し、
   前記レンズ群の後側の合成焦点位置に照明対象を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記回折光学素子は、その光学中心から射出される１次回折光を主光線としたときの配光分布が全体として矩形状を為すと共に、この配光分布のアスペクト比が前記照明対象のアスペクト比と一致するような回折光分布を生成することを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記回折光学素子の光学中心から射出される１次回折光の光軸を水平方向と一致させたときに、前記光源から射出された光が前記回折光学素子に対して上方から下方に向かって入射するように、前記光源と前記回折光学素子とが配置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の照明装置。
6. 前記回折光学素子として、計算機合成ホログラムを用いることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の照明装置。
7. 前記光源として、半導体レーザを用いることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の照明装置。
8. 前記光源として、複数の前記半導体レーザを配列したアレイ光源を用いることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 前記光源から射出された光を平行光に変換するコリメータ光学系が配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の照明装置。
10. 前記光源と前記回折光学素子との間にアフォーカル光学系が配置されていることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の照明装置。
11. 照明光を照射する照明装置と、
    前記照明光を画像情報に応じて変調した画像光を形成する光変調装置と、
    前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、
    前記照明装置として、請求項１〜１０の何れか一項に記載の照明装置を用いることを特徴とするプロジェクター。
12. 前記光源から射出された光が直線偏光であり、
    前記光変調装置として、液晶パネルを用いることを特徴とする請求項１１に記載のプロジェクター。
13. 前記照明装置及び前記光変調装置は、波長域の異なる照明光毎に複数配置され、
    更に、前記波長域の異なる照明光毎に変調された画像光を合成する合成光学系を備えることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のプロジェクター。

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