(57)【要約】【課題】光学素子の位置を調整し、画像表示素子に対する照明光範囲の位置調整を行う照明光学系において、従来の調整方法よりも調整敏感度を低くし、照明光範囲のマージンをより小さくして高い照明効率を維持できる照明光学系を提供すること。【解決手段】光源と、前記光源から射出される光束に対して画像信号に対応した変調を施す変調手段と、前記光源と前記変調手段との間の光路上に、前記光源から射出された光束を複数の光束に分割する複数のレンズを備えた第１のレンズアレイと前記複数の分割光束を集光する複数のレンズを備えた第２のレンズアレイが配置され、前記第１および前記第２のレンズアレイの間に透光性の平板を有し、前記平板は入射光軸に対する取りつけ角度が調整可能となっていることを特徴とする。【選択図】図１
2018004846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から射出される光束に対して画像信号に対応した変調を施す変調手段と、前記光源と前記変調手段との間の光路上に、前記光源から射出された光束を複数の光束に分割する複数のレンズを備えた第１のレンズアレイと前記複数の分割光束を集光する複数のレンズを備えた第２のレンズアレイが配置され、前記第１および前記第２のレンズアレイの間に透光性の平板を有し、前記平板は入射光軸に対する取りつけ角度が調整可能となっていることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記透光性平板の厚みをｔ、長さをＬ、屈折率をｎ、第１のレンズアレイのレンズセルの長辺の長さをｄ１、対応する前期変調手段の長辺の長さをｄ２とするとき下記条件式を満たすことを特徴とする請求光１に記載の照明光学系。
【数１】
2018004846.tif 000006
【請求項３】
前記平板は紫外光を吸収する機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明光学系。
【請求項４】
前記平板は紫外光を反射する機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明光学系。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の照明光学系と投射光学系を備えた画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系及びその照明光学系を用いた画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ライトバルブなど画像表示素子を均一かつ効率的に照明するために照明光学系が用いられている。照明光学系の一般的な構成を図３に示す。
【０００３】
光源１２から射出した光束が集光装置たる放物面リフレクタ１３によって集光され略平行光として射出される。光源には超高圧水銀ランプやキセノンランプが用いられる。放物面リフレクタから射出された平行光束は、第１フライアイレンズ１４によって分割・集光され、各分割光束は、第２フライアイレンズ１５の近傍に集光される。ここで第１フライアイレンズ１４を構成する微小レンズセルは、被照明面である画像表示素子と相似形状である矩形を有する。第２フライアイレンズを射出した複数の分割光束は、偏光変換素子１６で所定の方向の偏光光に揃えられる。
【０００４】
偏光変換素子から射出した光束はコンデンサレンズ１７によって集光されつつ、画像表示素子１９上で重畳され、該画像表示素子の表示領域に対応した矩形形状且つ均一な照度分布１８を形成し、画像表示素子を照明する。ここで画像表示素子には液晶ライトバルブを想定しているが、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などを用いる場合もある。
【０００５】
ここで図３に示されるような照明光学系では、第１、第２フライアイレンズの位置決め精度や、各レンズセルの偏芯誤差、あるいはコンデンサレンズの位置決めや偏芯誤差、曲率誤差等により、画像表示素子の画像表示領域に対して照明光が位置ずれを起こしたり、照明範囲が小さくなったりして、表示領域を均一に照明できない恐れがある。すると投射画像の周辺部に影が生じる弊害が発生する。
【０００６】
そこで、一般には、各素子の位置決め精度や部品の公差設定を考慮して、画像表示素子上に形成される照明光の範囲（以下、照明エリアと呼ぶ）は画像表示領域よりも大きい一定のマージン（図中Ｍ）が確保されている。
【０００７】
一方、投射画像をより明るくするためには、画像表示素子上の光利用効率を高める必要があるが、前述のようにマージンをとると光利用効率が低下し、投射画像が暗くなってしまうという課題があった。
【０００８】
そこで、照明光学系の光学素子に位置調整機構を設けて、光学素子の位置決め精度などによる画像表示素子に対する照明エリアの位置移動を吸収し、照明エリアのマージンを小さくして明るい投射画像を実現する方法が考案されている。
【０００９】
特許文献１では、第１又は第２フライアイレンズの光軸方向に直交する方向の取り付け位置を調整可能とすることで、照明エリアの画像表示素子に対する位置を調整し、これにより照明エリアのマージンを低減し、明るい投射画像を実現している。
【００１０】
特許文献２では、コンデンサレンズの光軸方向に直交する方向の取り付け位置を調整可能とすることで、同様に照明エリアの画像表示素子に対する位置を調整し、これにより照明エリアのマージンを低減し、明るい投射画像を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３７９１１３０号公報
【特許文献２】特許第３４７３３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、画像表示素子の表示領域に対して照明光の位置調整を行う際に、調整誤差や振動や熱の影響によりある程度の照明光の位置ずれは許容する必要がある。
【００１３】
例えば特許文献１では、第１又は第２フライアイレンズの光軸方向に直交する方向対する取り付け位置調整をねじによる回転調整機構によって実現しているが、ねじを締めて固定する際に所望の調整位置よりずれる可能性がある。また、フライアイレンズの光軸方向に直交する方向の位置を調整後、接着剤により直接固定するなどの方法も考えられるが、熱の影響により接着剤が軟化による調整後の位置ずれが懸念される。また、振動や熱による調整部材の変形による位置ずれが生じる可能性も考えられる。
【００１４】
調整後のズレの影響は、位置調整する光学素子の移動量に対する照明エリアの位置移動量の割合、すなわち移動敏感度が大きいほど顕著になる。取り付け位置の調整を行う素子の照明光エリアの移動敏感度が高ければ高いほど、こうした誤差を見込んで照明エリアのマージンを確保する必要があり、投射画像が暗くなるという課題があった。
【００１５】
そこで、本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、光学素子の位置を調整し、画像表示素子に対する照明光範囲の位置調整を行う照明光学系において、従来の調整方法よりも調整敏感度を低くし、照明光範囲のマージンをより小さくして高い照明効率を維持できる照明光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために、本発明に係る照明光学系は、
光源と、前記光源から射出される光束に対して画像信号に対応した変調を施す変調手段と、前記光源と前記変調手段との間の光路上に、前記光源から射出された光束を複数の光束に分割する複数のレンズを備えた第１のレンズアレイと前記複数の分割光束を集光する複数のレンズを備えた第２のレンズアレイが配置され、前記第１および前記第２のレンズアレイの間に透光性の平板を有し、前記平板は入射光軸に対する取りつけ角度が調整可能となっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光学素子の位置を調整し、画像表示素子に対する照明光範囲の位置調整を行う照明光学系において、従来の調整方法よりも調整敏感度を低くし、照明光範囲のマージンをより小さくして高い照明効率を維持できる照明光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例図
【図２】一般的な照明光学系を示す図
【図３】従来の照明光学系を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００２０】
図１に本発明の第１の実施例図を示す。
【００２１】
超高圧水銀ランプ１から発生する光線は放物面リフレクタ２によって反射され、略平行光となる。放物面リフレクタ２から射出された平行光束は、第１フライアイレンズ３によって分割・集光され、各分割光束は、第２フライアイレンズ５の近傍に集光される。ここで、４は超高圧水銀ランプに含まれる紫外光を吸収するＵＶ光吸収フィルタであり、光軸に対する取り付け角度を調整可能としている。具体的にはフィルタの片側の端を偏芯コロで押し込むことで角度調整を可能な構成としている（調整機構は図中不記載）。第２フライアイレンズを射出した複数の分割光束は、偏光変換素子５で所定の方向の偏光光に揃えられる。
【００２２】
偏光変換素子６から射出した光束は全反射ミラー７によって光路を曲げられ、コンデンサレンズ８によって集光されつつ、液晶ライトバルブ９上で重畳される。ここで第１フライアイレンズのレンズセルは液晶ライトバルブの画像表示領域は共役関係にあり、レンズセルは１６：１０のアスペクトの長方形形状である一方、液晶ライトバルブの表示領域も１６：１０のアスペクトである。第１フライアイレンズの各レンズセル上の照度分布が矩形形状として液晶ライトバルブ上に重畳されることで、矩形かつ均一な照度分布にて液晶ライトバルブの画像表示領域上が照明される。
【００２３】
ここで本実施例における、第１フライアイレンズのレンズセルのピッチは５ｍｍ、液晶ライトバルブの画像表示領域の寸法は１５ｍｍである。したがって、本実施例では第１フライアイレンズのレンズセル上の照度分布が液晶ライトバルブ上に約３倍の倍率で結像されている。
【００２４】
特許文献１に記載の従来技術では、第１フライアイレンズまたは第２フライアイレンズを光軸に直行する方向に動かして照明エリアを移動させている。本実施形態の光学配置に、この技術を適用すると、コンデンサレンズやミラーの位置決め精度等に起因する照明エリアの位置ずれを吸収できるので照明エリアのマージンを小さくすることができ、投射画像の明るさを向上させることができる。ここで、第１、第２フライアイレンズの移動量に対する液晶ライトバルブ上の照明範囲の移動量は３ｍｍ／ｍｍ（照明エリア移動量／フライアイ移動量）である。
【００２５】
ここで仮に、フライアイレンズの位置調整後の振動や熱、または調整後のネジ止めなどで、最適位置に対するずれ量が０．１ｍｍあったとすると、３×０．１＝０．３ｍｍの照明エリアずれは見込んでおく必要がある。したがって、照明エリアのマージンを小さくする量に制約が生じてしまい、投射画像の明るさ向上に制約が生じてしまう。
【００２６】
また特許文献２記載の従来技術ではコンデンサレンズを光軸に直行する方向に動かして照明エリアを移動させている。本実施形態の光学配置にこの技術を適用すると、コンデンサレンズの移動量に対する液晶ライトバルブ上の照明範囲の移動量は１ｍｍ／ｍｍ（照明エリア移動量／フライアイ移動量）となる。ここで仮に、コンデンサレンズの位置調整後の振動や熱、または調整後のネジ止めなどで、最適位置に対するずれ量が０．１ｍｍあったとすると、１×０．１＝０．１ｍｍの照明エリアずれは見込んでおく必要がある。したがって、同様に照明エリアのマージンを小さくする量に制約が生じてしまう。
【００２７】
一方、本実施例ではＵＶ吸収ガラス４を第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの配置しておりその取り付け角度を調整可能な構成としている。
【００２８】
図２に取り付け角度を調整する機構の一例を示す。ＵＶ吸収ガラス４の一方の端は光学素子を配置するケースの壁に突き当てられ、後方から板ばね１０で抑えられている。また他方の端は後方から板ばねで抑えられている一方、前方の偏芯コロ１１に突き当てられている。ここで、（ｂ）、（ｃ）のように偏芯コロを回転させることで他方の端は押し下げられ（押し上げられ）、ＵＶ吸収ガラスの取り付け角度が変化する。これにより任意の角度に調整することができる。また偏芯コロの形状を調整することで調整ストロークも任意に設定できる。
【００２９】
第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの間でガラス平板を傾けて配置すると、光線の屈折作用により第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの相対的な光軸ずれが発生する。例えば、屈折率ｎ、厚さｔｍｍのガラス平板がθ傾いた時、第１、第２フライアイレンズの相対的な光軸の移動量δは、以下の式であらわされる。
【００３０】
【数１】
2018004846.tif 000003
【００３１】
これにより、特許文献１でフライアイレンズを光軸に直行する方向に動かす場合と同様の作用が発生し、照明エリアの移動が発生する。本実施例ではＵＶ吸収ガラスの取り付け角度を調整することで照明エリアを任意の位置に移動調整することが可能となり、光学素子の位置決め公差に起因する照明エリアの位置ずれを吸収し、照明エリアに確保すべきマージンを小さくし、明るい投射画像を実現できる。
【００３２】
ここで本実施例におけるＵＶ吸収ガラスの屈折率は１．５、厚みは２ｍｍ、長さは２５ｍｍである。ＵＶ吸収ガラスの一方の端を固定し、他方の端を１ｍｍ移動させ、角度調整を行った際の液晶ライトバルブ上の照明エリアの移動量は０．０８ｍｍであり、従来技術に対して照明エリアの移動敏感度を１０倍以上小さくできる。したがって、仮に調整時や調整後のずれで０．１ｍｍ最適位置からのずれが発生する場合、０．０８×０．１＝０．００８ｍｍの照明エリアずれが発生するが、従来技術に対して余分に確保すべきマージンを１０倍以上小さくすることができる。これにより更に照明エリアのマージンを小さくし、より明るい投射画像を実現できる。
【００３３】
本発明では、第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの間に配置されたＵＶ光を除去するための素子を用いることで、追加の光学素子を必要とすることなく照明エリアの位置調整を実現している。一般に、超高圧水銀ランプから発生するＵＶ光は、液晶ライトバルブや偏光変換素子、プリズム類に用いられる接着剤の耐久性に影響を与えるため、必ずその光学的前段で除去する必要がある。したがって、本発明ではプロジェクタに配置される必要不可欠な素子を活用するため、光学素子の追加による明るさのロスや部品点数の増加を回避しつつ、照明エリアのマージンを低減するという課題を解決することができる。また、ＵＶ吸収性のガラスでなくとも、ＢＫ７のような一般的なガラスに誘電体多層膜からなるＵＶ反射膜を蒸着したＵＶカットフィルターを傾けて、照明エリアの位置調整を実施してもよい。
【００３４】
また本発明の第２の利点は、第１、第２フライアイレンズの間に配置される透光性平板の厚みや屈折率によって照明エリア調整の敏感度を調整できることにある。一般に従来技術では照明光学系の設計において、使用する画像表示素子のサイズや光学系のＦ値、フライアイレンズの分割数が決まるとフライアイレンズやコンデンサレンズの焦点距離は一意に決定される。この時、照明エリア調整の敏感度もフライアイレンズやコンデンサレンズの焦点距離で決まるため、調整敏感度を所望の値に調整することは難しい。これに対して本発明では第１、第２フライアイレンズの間に配置される透光性平板の厚みや屈折率や長さを調整することで任意の調整敏感度を実現することができる。
【００３５】
透光性平板の屈折率をｎ、厚さをｔ、長さをＬ、第１フライアイレンズのレンズセルのピッチをｄ１、対応する画像表示素子の矩形の１辺をｄ２とするとき照明エリアの移動量Δは式（１）を用いて以下で表わされる。
【００３６】
【数２】
2018004846.tif 000004
【００３７】
（２）式より透光性平板の屈折率、厚み、長さの調整により敏感度を調整することができる。ここで、コンデンサレンズの光軸に直行する方向に位置調整した際のエリア調整敏感度を１ｍｍ／ｍｍとすると、本発明によって、コンデンサレンズを用いた照明エリア調整よりも敏感度を低減し、照明エリアに確保すべきマージンを低減するためには少なくとも、以下の式を満たすことが望ましい。
【００３８】
【数３】
2018004846.tif 000005
【００３９】
また、本発明による照明エリア調整を他の調整素子と組み合わせてもよい。例えば、第１又は第２フライアイレンズの取り付け位置を調整し、他の素子の位置決め精度や光学偏芯による照明エリアのずれを吸収させる一方で、本発明によるフライアイレンズ間のガラス平板の取り付け角度調整により、第１又は第２フライアイレンズ取り付け位置の調整誤差あるいは調整後のずれに起因する照明エリアずれを微調整する構成にしてもよい。組み合わせる調整素子は、その他、コンデンサレンズや、反射ミラー、あるいは色分離光学系と組み合わせる場合はダイクロイックミラー等であってもよい。
【００４０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１・１２  放電アーク、２・１３  放物面リフレクタ、
３・１４  第１フライアイレンズ、４  ＵＶ吸収ガラス、
５・１５  第２フライアイレンズ、６・１６  偏光変換素子、７  反射ミラー、
８・１８  コンデンサレンズ、９・１９  液晶画像表示素子、１８  照明エリア、
１０  板ばね、１１  偏芯コロ
【図１】
2018004846.tif 000007
【図２】
2018004846.tif 000008
【図３】
2018004846.tif 000009