JP6318688B2 - 照明装置及びプロジェクター - Google Patents

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Description

本発明は、照明装置及びプロジェクターに関するものである。
プロジェクターは、光源部から射出される光を、光変調装置で画像情報に応じて変調し、得られた画像を投写レンズによって拡大投写するものである。近年、このようなプロジェクターに用いられる照明装置の光源として、高輝度且つ高出力な光が得られる半導体レーザー(LD)などのレーザー光源が注目されている。
このようなレーザー光源から構成された照明装置を備えたプロジェクターとして、干渉縞を低減するために回折光学素子を用いる技術が知られている(例えば、下記特許文献1参照)。
特開2012−9872号公報
しかしながら、上記照明装置においては、レーザー光源やコリメータレンズの実装ばらつきが生じると、レーザー光源から回折光学素子への入射光の主光線の方向がずれる。そのため、照明される領域が大きくずれてしまい、照明効率が低下してしまうといった問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、実装ばらつきに起因した照明効率の低下を抑制できる照明装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。
本発明の第1態様に従えば、複数の固体光源を有する光源部を備えた照明装置であって、複数の領域を備えた回折光学部材と、前記回折光学部材の下段に設けられ、前記複数の領域に1対1で対応する複数のレンズを有するマルチレンズアレイと、前記マルチレンズアレイの下段に設けられた重畳光学系と、を備え、前記回折光学部材は、前記光源部から入射する光束を前記複数の領域によって複数の部分光束に分割するとともに、前記複数の部分光束を整形し、前記複数の部分光束の各々は、前記複数のレンズのうち対応するレンズに入射し、前記マルチレンズアレイを透過した前記複数の部分光束の各々は、前記重畳光学系を介して所定の面上の所定の領域を重畳照明し、前記複数の領域はそれぞれ前記所定の領域と光学的に共役であり、前記複数の部分光束のうち第1の部分光束は、前記複数の領域のうち第1の領域によって生成され、前記第1の部分光束が前記複数のレンズのうち対応する第1のレンズに入射するとき、前記第1の部分光束の断面形状が、前記第1の領域によって生成された直後の断面形状よりも前記第1のレンズの外形に近づくとともに、前記第1の部分光束による照明領域が前記第1のレンズの外形に対してマージンを持つように、前記第1の領域が構成されている照明装置が提供される。
第1態様に係る照明装置の構成によれば、光源部からの光が複数の部分光束に分割され、複数の部分光束の各々は、複数のレンズのうち対応するレンズに入射する。さらに、マルチレンズアレイを透過した複数の部分光束の各々は、重畳光学系によって被照明領域で互いに重畳される。これにより、例えば、光源部の実装時におけるアライメントにばらつきが生じて回折光学部材への入射角がずれた場合でも、被照明領域が移動してしまうことが防止される。よって、光源部の光が被照明領域を効率良く照らすことが可能であるとともに、高いアライメント精度が要求されない信頼性の高い照明装置が提供される。また、回折光学部材により各レンズが広い領域に渡って比較的均一に照明されるため、スペックルを低減させた照明装置が提供される。
上記第1態様において、前記複数のレンズは、少なくとも前記回折光学部材の回折方向において屈折力を有する構成としてもよい。
この構成によれば、光の回折方向および屈折方向が一致しているので、光源部からの光の光軸のアライメントが容易となる。
上記第1態様において、前記回折光学部材は、前記複数の部分光束を整形するように構成されている構成としてもよい。
この構成によれば、複数の部分光束を整形することで被照明領域に確実に入射させることができる。
上記実施形態において、前記複数の部分光束のうち第1の部分光束は、前記複数の領域のうち第1の領域によって生成され、前記第1の部分光束が前記複数のレンズのうち対応する第1のレンズに入射するとき、前記第1の部分光束の断面形状が、前記第1の領域によって生成された直後の断面形状よりも前記第1のレンズの外形に近づくように、前記第1の領域が構成されている構成としてもよい。
この構成によれば、第1の部分光束を拡げた状態で第1のレンズに入射させることができる。
上記第1態様において、前記光源部および前記回折光学部材の間には、少なくとも1つのコリメータレンズが配置される構成としてもよい。
この構成によれば、コリメータレンズにより光源部からの光を平行化することができるため、回折光学部材から射出される光を所望のレンズに効率よく入射させることができる。
本発明の第2態様に従えば、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て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、上記第1態様に係る照明装置を用いるプロジェクターが提供される。
第2態様に係るプロジェクターの構成によれば、上述の照明装置を備えるので、本プロジェクター自体も照明効率の低下が抑制されるとともにスペックルが低減されることで画像品質に優れた表示を行うことができる。
プロジェクターの概略構成を示す図である。 照明装置の概略構成を示す図である。 (a)は回折光学部材と、回折光学部材によって生成された直後の部分光束LL1の断面とを示す図であり、(b)はマルチレンズアレイと、マルチレンズアレイに入射する部分光束の断面とを示す図であり、(c)は光入射面に形成される照射パターンの図である。 照明装置の作用を説明するための図である。 (a)は入射角が照明エリアに及ぼす影響を示す図であり、(b)は従来における照明マージンを説明するための図である。
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、プロジェクター100の概略構成を示す平面図である。
本実施形態に係るプロジェクター100は、スクリーン(被投射面)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ー(LD)などのレーザー光源を用いている。
具体的に、プロジェクター100は、照明装置101R,101G,101Bと、光変調装置102R,102G,102Bと、合成光学系103と、投射光学系104と、を備える。
照明装置101R,101G,101Bは、それぞれが赤色(R),緑色(G),青色(B)の各色に対応したレーザー光(照明光)を射出する。
照明装置101R,101G,101Bは、後述の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ーを用いる以外は、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、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、各照明装置101R,101G,101Bからのレーザー光を画像信号に応じてそれぞれ変調し、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(不図示)が配置されている。
合成光学系103は、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)
続いて、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ーを用いる以外は、基本的に同じ構成である。
したがって、以下の説明では、照明装置101Rを例に挙げて、その構成について説明し、照明装置101G,101Bの詳細な説明については省略する。
図2は、照明装置101Rの概略構成を示す図である。
照明装置101Rは、図2に示すように、アレイ光源(光源部)2と、コリメータ光学系3と、回折光学部材4と、マルチレンズアレイ5と、重畳光学系7と、を備えている。
アレイ光源2は、光軸と直交する面内に二次元的に配列された複数の半導体レーザー(固体光源)2aを備える。また、各半導体レーザー2aから射出される光は、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。
各半導体レーザー2aは、所定の偏光方向を有する赤色のレーザー光L1を射出する。レーザー光L1は、その光軸と直交する平面内で見た断面形状が楕円である。
なお、照明装置101Gにおいて各半導体レーザー2aは、コリメータ光学系3の光入射面に対して、所定の偏光方向を有する緑色光を射出させ、照明装置101Bにおいて各半導体レーザー2aは、コリメータ光学系3の光入射面に対して、所定の偏光方向を有する青色光を射出させる。本実施形態においては、各照明装置101R,101G,101Gにおける各半導体レーザー2aの各々から射出される光の偏光方向は互いに同じとなっている。
コリメータ光学系3は、各半導体レーザー2aに1対1で対応して配置された複数のコリメータレンズ3aからなる。各半導体レーザー2aから射出されたレーザー光L1の光線束は、各コリメータレンズ3aに入射することにより平行光に変換された後、回折光学部材4に入射される。
図3(a)は、回折光学部材4と、回折光学部材4によって生成された直後の部分光束LL1の断面とを示す図である。本実施形態において、回折光学部材4は複数の領域CAを備える。各領域CAは回折光学素子6から構成される。本実施形態では、例えば16個の領域CAが4行4列に配列されている。光変調装置102Rは光入射面(被照明領域)102R1を有している。本発明において、光入射面102R1を含む面が所定の面に相当する。領域CA(回折光学素子6)の形状は、光変調装置102Rの光入射面102R1の形状と相似である。
各回折光学素子6は、計算機合成ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram)から構成される。回折光学素子6は、例えば石英(ガラス)や合成樹脂などの光透過性材料からなる基材の表面に、計算機によって設計された微細な凹凸構造を有する表面レリーフ型のホログラム素子からなる。また、回折光学素子6は、回折現象を利用して入射光の波面を変換する波面変換素子である。特に、位相変調型のCGHでは、入射光波のエネルギーをほとんど失うことなく波面変換が可能である。したがって、CGHは、均一な強度分布や単純な形状の強度分布を発生させることができる。
回折光学素子6は、凹部の幅及び凹部の深さ(凸部の高さ)を含む設計条件を適宜調整することによって、回折素子パターンに所望の拡散機能を持たせることができる。なお、回折素子パターンの設定条件を最適化する手法としては、例えば反復フーリエ法などの演算手法を挙げることができる。
マルチレンズアレイ5は、各回折光学素子6に対応して4行4列に配置された複数のマイクロレンズ5a(以下、単にレンズ5aと称す)を有する。各レンズ5aは、レンズ基材5bに一体に保持されている。各レンズ5aは、少なくとも、回折光学素子6の回折方向において屈折力を有している。このように光の回折方向および屈折方向が一致するので、アレイ光源2からの光の光軸のアライメントが容易となっている。
重畳光学系7は、重畳レンズ7aとフィールドレンズ7bとの2枚のレンズから構成されている。
本実施形態では、アレイ光源2は8個の半導体レーザー2aを備えており、光束LLは8本のレーザー光L1からなる。光入射面102R1を均一に照明するために、図3(a)に示したように、レーザー光L1が互いに隣り合う2つの回折光学素子6にまたがるように構成されている。回折光学部材4に入射した光束LLは、複数の回折光学素子6によって、マルチレンズアレイ5の各レンズ5aに対応する複数の部分光束LL1に分割される。
なお図2は、図3(a)の断面A−A’を含む、照明装置101Rの断面である。本実施形態では、16個の回折光学素子6が4行4列に配列され、8本のレーザー光L1が図3(a)に示したように配列されているが、これに限られない。回折光学素子6の個数、半導体レーザー2aの個数、回折光学素子6の配列、およびレーザー光L1の配列は適宜変更できる。半導体レーザー2aは1個でもよい。回折光学素子6(領域CA)は少なくとも2個あればよい。回折光学素子6の長手方向とレーザー光L1の断面形状における楕円の長軸方向との関係も適宜変更できる。
図3(b)は、マルチレンズアレイ5と、マルチレンズアレイ5に入射する部分光束LL1の断面とを示す図である。例えば、部分光束LL1x(第1の部分光束)は、回折光学素子6x(第1の領域)によって生成される。回折光学素子6xおよび部分光束LL1xはレンズ5ax(第1のレンズ)に対応している。図3(a)に示したように、部分光束LL1xは、回折光学素子6xによって生成された直後は2つの光束からなっているが、レンズ5axに入射するときには、図3(b)に示したようにレンズ5axの比較的広い領域が照射されるように、回折光学素子6xによって整形される。
具体的には、部分光束LL1xがレンズ5axに入射するとき、部分光束LL1xの断面形状が、回折光学素子6xによって生成された直後(図3(a)参照)の断面形状よりもレンズ5axの外形に近づくように、回折光学素子6xが構成されている。
マルチレンズアレイ5を透過した複数の部分光束LL1の各々は、重畳光学系7により光入射面102R1で互いに重畳される。光入射面102R1は、本発明において重畳照明される所定の領域に相当する。
図3(c)は、光入射面102R1に形成される照射パターンの例である。ここで、回折光学素子6xによって生成された直後の部分光束LL1xと、光入射面102R1に形成される照射パターンLL1x’との関係について説明する。マルチレンズアレイ5の各レンズ5aと重畳光学系7とは、光変調装置102Rの光入射面(被照明領域)102R1と上記回折光学素子6の各領域CAとの間で光学的に共役な関係を構成する。従って、図3(a)、(c)に示したように、部分光束LL1xによって光入射面102R1に形成される照射パターンLL1x’は、回折光学素子6xによって生成された直後の部分光束LL1xの断面形状と相似である。同様に、部分光束LL1yによって光入射面102R1に形成される照射パターンLL1y’は、回折光学素子6xによって生成された直後の部分光束LL1yの断面形状と相似である。他の部分光束LL1によって光入射面102R1に形成される照射パターンについても同様である。このように、複数の部分光束LL1と相似な複数の照射パターンが光入射面102R1で互いに重畳されることによって、光入射面102R1は均一に照明される。
図4は本実施形態に係る照明装置101Rの作用を説明するための図である。
図5は比較として従来構成に係る照明装置200を説明するための図であり、図5(a)は回折光学素子に対する入射角が照明されるエリアに及ぼす影響を示す図であり、図5(b)は従来における照明マージンを説明するための図である。
なお、図4では、アレイ光源2(半導体レーザー2a)とコリメータ光学系(コリメータレンズ3a)とのアライメントにずれが無い場合において回折光学部材4に入射する光束LLのうちの一部の光束LL2を実線で示し、アライメントにズレが生じた場合において回折光学部材4に入射する光束LLのうちの一部の光束LL3を破線で示す。
本実施形態に係る照明装置101Rによれば、光変調装置102Rの光入射面102R1と回折光学素子6の領域CAとが共役関係となっている。これにより、例えば、アレイ光源2あるいはコリメータ光学系3のアライメントがずれて、回折光学部材4への光(光束LL2および光束LL3)の入射角が変化したとしても光入射面102R1において照明される領域がずれることが防止される。すなわち、光入射面102R1に対して照明光を確実に入射させることができる。
また、アレイ光源2およびコリメータ光学系3のアライメントに高い精度を要求する必要がないため、装置の組み立て作業が容易となり、結果的に製造コストの低減を図ることができる。
さらに、アレイ光源2およびコリメータ光学系3のアライメントがずれて、図4に示すように回折光学部材4(各回折光学素子6)への光の入射角がθだけ変化すると、レンズ5a上での照明エリアがfm×tanθだけ移動する。なお、fmはレンズ5aの焦点距離である。
これに対しても、図3(b)に示したように、レンズ5aが照射される領域がレンズ5aの外形に対してマージンを持つように、回折光学素子6を設計すればよい。すなわち、アライメントによって生じる照明領域の移動分だけマージンを確保しておけばよい。これによれば、アライメントにズレが生じた場合であっても、回折光学素子6からの部分光束LL1を各レンズ5aに確実に入射させることができる。
一方、光源部からの光を回折光学素子4Aにより分割した分割光束が入射するマルチレンズアレイ5(各レンズ5a)を具備しない従来の照明装置200では、図5(a)に示すように、回折光学素子4Aへの光(光束LL2およびLL3)の入射角がθだけ変化すると、光変調装置102Rの光入射面102R1上での照明されるエリアSAがfc×tanθだけ移動する。なお、fcは重畳光学系7の焦点距離である。
ここで、コリメータ光学系3(コリメータレンズ3a)の焦点距離を5mm、重畳光学系7の焦点距離fcを150mmとし、アレイ光源2およびコリメータ光学系3におけるアライメントが0.05mmずれたとすると、入射角は0.57度(θ)だけ変化する。この場合、光変調装置102Rの光入射面102R1では照明エリアが1.5mm移動する。
図5(b)に示すように、例えば、光入射面102R1の大きさが12.8mm×8mmの場合、入射角がθだけ変化しても光入射面102R1の全体を均一に照明するために必要な照明されるべきエリアSAの面積は15.8mm×11=173.8mmである。また、光入射面102R1の面積は、12.8mm×8mm=102.4mmである。すなわち、マージンMとして必要な照明面積(図5(b)に示される斜めハッチングの領域)は、照明されるエリアSAの面積の41.1%であり、全光量のうち約40%がロスとなってしまう。このように従来の照明装置200では、照明されるエリアSAの面積をアライメントずれを考慮して設定しなければならないため、照明光におけるロスが非常に大きかった。
これに対し、本実施形態に係る照明装置101Rによれば、アレイ光源2の実装時におけるアライメントにばらつき(半導体レーザー2aあるいはコリメータレンズ3aの実装ばらつき)が生じて回折光学素子6への入射光の入射方向がずれた場合でも、照明されるエリアSAが光入射面102R1の外へ移動することがない。よって、アレイ光源2は、光を無駄にすることなく光入射面102R1を効率良く照らすことができる。
また、アレイ光源2の実装時におけるアライメントずれによるマージンを確保する場合においても、レンズ5aの大きさに応じて回折光学素子6の回折特性を設計すればよいので、光学設計が容易となり、製造時の手間を大幅に減らすことができる。
さらに、本実施形態によれば、回折光学部材4(回折光学素子6)により各レンズ5aが広い領域に渡って比較的均一に照明されるため、光変調装置へ入射する光の角度分布が広くなり、ひいてはスクリーンのある一点に入射する光の角度分布が広くなるため、スペックルを低減させることができる。
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、プロジェクター100自体も照明効率の低下が抑制されるとともにスペックルが低減されることで画像品質に優れた表示を行うことが可能となる。
なお、本発明の一実施形態を例示して説明したが、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、回折光学部材4が独立した複数の回折光学素子6から構成された場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されず、回折光学部材4が1つの回折光学素子から構成されていても良い。この場合も、回折光学部材は所定の領域と光学的に共役な複数の領域を備えており、上記実施形態と同じ効果が得られる。
例えば、上記実施形態では、コリメータ光学系3を備えた構成を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、アレイ光源2として平行度の高いレーザー光を射出する場合であれば、コリメータ光学系3を省略しても良い。この場合において、アレイ光源2の実装ばらつきが生じた場合でも、上記実施形態と同様、レンズ5aにマージンを持たせることで照明光を効率良く利用することができる。
例えば、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などを用いることもできる。
また、上記実施形態では、回折光学素子6として、表面レリーフ型ホログラム素子を用いたが、体積ホログラム型素子を用いてもよい。また、表面レリーフ型ホログラムと体積ホログラムとの複合型ホログラム素子を用いてもよい。
2…アレイ光源(光源部)、2a…半導体レーザー(固体光源)、3a…コリメータレンズ、4…回折光学部材、5…マルチレンズアレイ、5a…レンズ、6…回折光学素子(領域)、7…重畳光学系、100…プロジェクター、101B,101G,101R…照明装置、102R、102G,102B…光変調装置、104…投射光学系、LL…光束(光源部からの光)、LL1…部分光束、102R1…光入射面(所定の領域)、CA…領域。

Claims (4)

  1. 複数の固体光源を有する光源部を備えた照明装置であって、
    複数の領域を備えた回折光学部材と、
    前記回折光学部材の下段に設けられ、前記複数の領域に1対1で対応する複数のレンズを有するマルチレンズアレイと、
    前記マルチレンズアレイの下段に設けられた重畳光学系と、を備え、
    前記回折光学部材は、前記光源部から入射する光束を前記複数の領域によって複数の部分光束に分割するとともに、前記複数の部分光束を整形し、
    前記複数の部分光束の各々は、前記複数のレンズのうち対応するレンズに入射し、
    前記マルチレンズアレイを透過した前記複数の部分光束の各々は、前記重畳光学系を介して所定の面上の所定の領域を重畳照明し、
    前記複数の領域はそれぞれ前記所定の領域と光学的に共役であり、
    前記複数の部分光束のうち第1の部分光束は、前記複数の領域のうち第1の領域によって生成され、
    前記第1の部分光束が前記複数のレンズのうち対応する第1のレンズに入射するとき、前記第1の部分光束の断面形状が、前記第1の領域によって生成された直後の断面形状よりも前記第1のレンズの外形に近づくとともに、前記第1の部分光束による照明領域が前記第1のレンズの外形に対してマージンを持つように、前記第1の領域が構成されてい
    照明装置。
  2. 前記複数のレンズは、少なくとも前記回折光学部材の回折方向において屈折力を有する
    請求項1に記載の照明装置。
  3. 前記光源部および前記回折光学部材の間には、少なくとも1つのコリメータレンズが配置される
    請求項1又は2に記載の照明装置。
  4. 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て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〜のいずれか一項に記載の照明装置を用いるプロジェクター。
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