JP7427926B2 - 光学系、および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系、および画像投射装置に関する。

特許文献１では、ＤＭＤ（反射型変調素子）８における入射光とＯＮ方向の反射光とが重なる角度領域の光をカットする略Ｄ字のアパーチャ６Ａ（干渉領域を取り除くとＤ字形状になる）を設けた画像表示装置を開示している。

特許文献２では、色変調ライトバルブ、リレーレンズ１６およびＤＭＤ５０をシャインプルーフの法則に従って配置した投射型表示装置１００を開示している。

本発明は、不要光の影響を低減する光学系、および画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光学系および画像投射装置は、入射光を異なる方向に反射して出射する複数の反射面を表面に有する光変調素子と、光源から照射される照射光を入射光として光変調素子に向けて出射するとともに、光変調素子から第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光を入射する界面を有する光学素子と、を備えた光学系であって、複数の反射面のそれぞれは、光変調素子の表面に対して傾斜することにより、入射光を第１の方向に出射し、光変調素子の複数の反射面を有する表面は、界面に対して傾斜しており、投射対象に第１の出射光を導光するときに複数の反射面のそれぞれが光変調素子の表面に対して傾斜する方向と、光変調素子の表面が界面に対して傾斜する方向と、が同じであることを特徴とする。

本発明によれば、不要光の影響を低減する光学系、および画像投射装置を提供することができる。

本発明の一実施形態としての画像投射装置３００を示す断面図である。 図１に示した画像投射装置３００における光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。 図１に示した画像投射装置３００の比較例を示す断面図である。 図３に示した画像投射装置３００の比較例における光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。 図１に示した画像投射装置３００の変形例を示す断面図である。 図５に示した画像投射装置３００の変形例における光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態としての画像投射装置を示す断面図である。

画像投射装置３００は、フロント投射型プロジェクタであり、スクリーンに画像を投射する。画像投射装置は、自動車に搭載されることを想定しているが、これに限られるものではなく、様々な用途に用いることが可能であり、バイクや航空機などに搭載することもできる。

図１に示す画像投射装置３００（光学系）は、光源１０１と、照明光学系３０１と、フィールドレンズ１７と、光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂと、光変調素子１０３と、投射光学系１０４とを備え、スクリーン４００（投射対象）に画像を投射する。

光源１０１は、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３つの色と１対１に対応する３つの色光源１１Ｒ、１１Ｂ、１１Ｇと、反射する光の波長および透過する波長の光が予め定められているダイクロイックミラー１２、１３とを含む。

照明光学系３０１は、光路の上流側から順次離間して配置されるフライアイレンズ１４、フィールドレンズ１５、折り返しミラー１６を含み、光源１０１から照射される照射光２５０を、フィールドレンズ１７を介して光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂに導光する。

光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂは、それぞれ２面以上を有するプリズムで構成されることが好ましく、本実施形態では、全反射三角プリズムユニット（所謂、ＴＩＲプリズムユニット）で構成される。光学素子１０２Ｂは、照射光２５０を入射光２５０として、光変調素子１０３に向けて出射する界面１０２ｂを有する。

光変調素子１０３は、入射光２５０を画像データに基づいて変調する。光変調素子１０３は、複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有するＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）により構成され、入力された画像データに基づいて各マイクロミラーを時分割駆動することにより、画像データに基づく画像へと光を加工して反射する。

投射光学系１０４は、光路の上流側から順次離間して配置される第１のレンズ１０４Ａ、第２のレンズ１０４Ｂ、第３のレンズ１０４Ｃを含む。

以上の構成において、光学素子１０２Ａおよび１０２Ｂは、照明光学系３０１から導光される照射光２５０を入射光２５０として光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂから光変調素子１０３に向けて入射させる。

光変調素子１０３は、各マイクロミラーを時分割駆動することにより、入射光２５０を第１の方向に反射して第１の出射光２００を出射する場合と、入射光２５０を第１の方向と異なる第２の方向に反射して第２の出射光を出射する場合と、を切り替える。

光学素子１０２Ｂは、光変調素子１０３から第１の方向に出射された第１の出射光２００を界面１０２ｂから入射した後に反射し、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光を透過する。

光学素子１０２Ｂで反射された第１の出射光２００は、画像データに基づく画像を形成するＯＮ光として投射光学系１０４へ導光され、第２の方向に出射された第２の出射光は、画像を形成しないＯＦＦ光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止される。

投射光学系１０４は、第１の出射光２００をスクリーン４００に投射して画像（入力された画像データに基づく画像）を形成する。スクリーン４００は、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）等により構成される。

本実施形態では、スクリーン４００の表面４００Ｓと、投射光学系１０４の主面と、光変調素子１０３の表面１０３Ｓが、シャインプルーフの条件を満たすように配置される。これにより、第１の出射光２００により形成される画像がスクリーン４００の表面４００Ｓにぼやけて投射されることが低減される。

図２は、図１に示した画像投射装置３００における光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。

光変調素子１０３は、複数の反射面１０３Ａ（ＤＭＤ）を有しており、複数の反射面１０３Ａのそれぞれは、光変調素子１０３の表面１０３Ｓに対して時計回りに角度θだけ傾斜することにより、入射光２５０を反射して第１の出射光２００を出射する。１０４ｄは、投射光学系１０４が第１の出射光２００を取り込む範囲を示している。

また、複数の反射面１０３Ａのそれぞれは、光変調素子１０３の表面１０３Ｓと平行にすることにより、入射光２５０を反射して第２の出射光を出射する。

そして、光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、シャインプルーフの条件を満たすように、光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂに対して時計回りに角度αだけ傾斜している。

以上の構成により、複数の反射面１０３Ａのそれぞれは、界面１０２ｂに対して時計回りに角度θ＋αだけ傾斜するので、入射光２５０と第１の出射光２００のなす角度は２（θ＋α）となる。

ここで、照射光２５０のほとんどは、光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂを透過して入射光２５０として光変調素子１０３に入射するが、照射光２５０の一部は、光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂで反射光２５１として反射される。

本実施形態では、入射光２５０と第１の出射光２００のなす角度は２（θ＋α）となっているため、反射光２５１と第１の出射光２００のなす角度は２（θ＋α）となり、光変調素子１０３の表面１０３Ｓが光学素子１０２Ｂの界面１０２と平行な場合（α＝０）に比べて、角度が大きくなっている。

これにより、シャインプルーフの条件を満たすように、光変調素子１０３の表面１０３Ｓを光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂに対して傾斜した場合に、反射光２５１が投射光学系１０４に入射することが低減されて、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に投射されることを低減できる。

すなわち、本実施形態によると、第１の出射光２００がスクリーン４００の表面４００Ｓにぼやけて投射されるのを低減することと、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に導光されるのを低減することを両立させることができる。そして、従来技術では必要であった遮光を実施することなく不要光を低減することができるため、高光出力と高画質を両立させることができる。

図３は、図１に示した画像投射装置３００の比較例を示す断面図である。

図３に示すスクリーン４００の表面４００Ｓは、図１に示したスクリーン４００の表面４００Ｓと反対方向に傾斜し、図３に示す光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、図１に示した光変調素子１０３の表面１０３Ｓと反対方向に傾斜している。これにより、スクリーン４００の表面４００Ｓと、投射光学系１０４の主面と、光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。スクリーン４００および光変調素子１０３以外の構成は、図１の構成と同じである。

図４は、図３に示した画像投射装置３００の比較例における光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。

複数の反射面１０３Ａのそれぞれは、図２と同様に、光変調素子１０３の表面１０３Ｓに対して時計回りに角度θだけ傾斜することにより、入射光２５０を反射して第１の出射光２００を出射する。

一方、光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、図２とは異なり、光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂに対して反時計回りに角度αだけ傾斜している。

以上の構成により、複数の反射面１０３Ａのそれぞれは、界面１０２ｂに対して時計回りに角度θ―αだけ傾斜するので、入射光２５０と第１の出射光２００のなす角度は２（θ―α）となる。

本比較例では、入射光２５０と第１の出射光２００のなす角度が―２（θ―α）となっているため、反射光２５１と第１の出射光２００のなす角度は２（θ―α）となり、光変調素子１０３の表面１０３Ｓが光学素子１０２Ｂの界面１０２と平行な場合（α＝０）に比べて、角度が小さくなっている。

これにより、シャインプルーフの条件を満たすように、光変調素子１０３の表面１０３Ｓを光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂに対して傾斜した場合に、反射光２５１が投射光学系１０４に入射することが増加して、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に投射されることが増加する。

すなわち、本比較例によると、第１の出射光２００がスクリーン４００の表面４００Ｓにぼやけて投射されるのを低減できるものの、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に導光されるのを低減することはできない。そして、不要光を低減するためには入射光２５０を２α分遮光する必要があるため、高光出力と高画質を両立させることが困難となる。

図５は、図１に示した画像投射装置３００の変形例を示す断面図である。

図５に示すスクリーン４００の表面４００Ｓは、図３に示した比較例と同様に、図１に示したスクリーン４００の表面４００Ｓと反対方向に傾斜している。また、図５に示す画像投射装置３００は、図１に示した画像投射装置３００の上下を反転させて構成されており、図５に示す光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、図１に示した光変調素子１０３の表面１０３Ｓと反対方向に傾斜している。

これにより、スクリーン４００の表面４００Ｓと、投射光学系１０４の主面と、光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。

図６は、図５に示した画像投射装置３００の変形例における光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。

図５に示す画像投射装置３００は、図１に示した画像投射装置３００の上下を反転させて構成されているため、図６に示す変形例は、図２に示した実施形態の上下を反転させたものとなっている。

したがって、本変形例では、図２に示した実施形態と同様に、複数の反射面１０３Ａのそれぞれが光変調素子１０３の表面１０３Ｓに対して傾斜する方向と、光変調素子１０３の表面１０３Ｓが界面１０２ｂに対して傾斜する方向と、が同じになっている。

これにより、シャインプルーフの条件を満たすように、光変調素子１０３の表面１０３Ｓを光学素子１０２Ｂの界面１０２ｂに対して傾斜した場合に、反射光２５１が投射光学系１０４に入射することが低減されて、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に投射されることを低減できる。

すなわち、本変形例によると、第１の出射光２００がスクリーン４００の表面４００Ｓにぼやけて投射されるのを低減することと、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に導光されるのを低減することを両立させることができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る画像投射装置３００（光学系）は、入射光２５０を異なる方向に反射して出射する複数の反射面１０３Ａを有する光変調素子１０３と、光源から照射される照射光を入射光２５０として光変調素子１０３に向けて出射するとともに、光変調素子１０３から第１の方向に出射されてスクリーン（投射対象）４００に導光される第１の出射光２００を入射する界面１０２ｂを有する光学素子１０２Ｂと、を備え、複数の反射面１０３Ａのそれぞれは、光変調素子１０３の表面１０３Ｓに対して角度θだけ傾斜することにより、入射光２５０を反射して第１の出射光２００を出射し、光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、界面１０２ｂに対して角度αだけ傾斜しており、複数の反射面１０３Ａのそれぞれが光変調素子１０３の表面１０３Ｓに対して傾斜する方向と、光変調素子１０３の表面１０３Ｓが界面１０２ｂに対して傾斜する方向と、が同じである。

これにより、入射光２５０と第１の出射光２００のなす角度を大きくすることができるため、光源１０１から照射される照射光２５０が界面１０２ｂを透過されずに反射された反射光２５１と第１の出射光２００のなす角度が大きくなり、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に導光されることを低減できる。

反射面１０３Ａは、デジタル・マイクロミラー・デバイスにより構成され、光学素子１０２Ｂはプリズムにより構成されることが好ましい。

画像投射装置３００（光学系）は、光学素子１０２Ｂを通過した第１の出射光２００を入射し、スクリーン４００に投射する投射光学系１０４を備える。この場合、反射光２５１が投射光学系１０４に入射することが低減されて、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に投射されることを低減できる。

スクリーン４００の表面４００Ｓと、投射光学系１０４の第１のレンズ１０４Ａ、第２のレンズ１０４Ｂおよび第３のレンズ１０４Ｃの主面と、光変調素子１０３の表面１０３Ｓは、シャインプルーフの条件を満たすように配置される。この場合、第１の出射光２００がスクリーン４００の表面４００Ｓにぼやけて投射されるのを低減することと、反射光２５１が不要光としてスクリーン４００に導光されるのを低減することを両立させることができる。

１０１ 光源
１０２Ｂ 光学素子
１０２ｂ 界面
１０３ 光変調素子
１０３Ａ 反射面
１０３Ｓ 表面
１０４ 投射光学系
１０４Ａ 第１のレンズ
１０４Ｂ 第２のレンズ
１０４Ｃ 第３のレンズ
２００ 第１の出射光
２５０ 入射光（照射光）
２５１ 反射光
３００ 画像投射装置（光学系）
３０１ 照明光学系
４００ スクリーン（投射対象）
４００Ｓ 表面

特開２００３－３１５７３３号公報 特開２００５‐２４２１６３号公報

Claims (6)

1. 入射光を異なる方向に反射して出射する複数の反射面を表面に有する光変調素子と、
   光源から照射される照射光を前記入射光として前記光変調素子に向けて出射するとともに、前記光変調素子から第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光を入射する界面を有する光学素子と、を備えた光学系であって、
   前記複数の反射面のそれぞれは、前記光変調素子の前記表面に対して傾斜することにより、前記入射光を反射して前記第１の出射光を出射し、
   前記光変調素子の前記複数の反射面を有する前記表面は、前記界面に対して傾斜しており、
   前記投射対象に前記第１の出射光を導光するときに前記複数の反射面のそれぞれが前記光変調素子の前記表面に対して傾斜する方向と、前記光変調素子の前記表面が前記界面に対して傾斜する方向と、が同じである光学系。
2. 前記反射面は、デジタル・マイクロミラー・デバイスであることを特徴とする請求項１記載の光学系。
3. 前記光学素子はプリズムである請求項１または２記載の光学系。
4. 前記光学素子を通過した前記第１の出射光を入射し、前記投射対象に投射する投射光学系を備えた請求項１～３の何れか記載の光学系。
5. 前記投射対象と、前記投射光学系のレンズと、前記光学素子は、シャインプルーフの条件を満たすように配置される請求項４記載の光学系。
6. 請求項１～５の何れか記載の光学系を備え、画像を投射する画像投射装置。