(57)【要約】【課題】性能及び製作容易性を確保したまま画像投射装置の小型化を図ることができる。【解決手段】画像投射装置は、光源と、上記光源側から入射される光を透過させる第１リレーレンズと、上記第１リレーレンズの光軸に対して偏心配置され、上記第１リレーレンズから入射される光を透過させる第２リレーレンズと、上記第２リレーレンズ側から入射される光から画像を生成して反射させる画像生成部と、上記第２リレーレンズから入射される光を上記画像生成部に向けて透過させ、上記画像生成部により反射されて再入射される光を全反射させる直角プリズムと、上記直角プリズムにより全反射された光を拡大透過させる投射レンズ部と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源側から入射される光を透過させる第１リレーレンズと、
前記第１リレーレンズの光軸に対して偏心配置され、前記第１リレーレンズから入射される光を透過させる第２リレーレンズと、
前記第２リレーレンズ側から入射される光から画像を生成して反射させる画像生成部と、
前記第２リレーレンズから入射される光を前記画像生成部に向けて透過させ、前記画像生成部により反射されて再入射される光を全反射させる直角プリズムと、
前記直角プリズムにより全反射された光を拡大透過させる投射レンズ部と、
を備えることを特徴とする、画像投射装置。
【請求項２】
前記第２リレーレンズは、前記光軸に対してチルト偏心して配置されることを特徴とする、請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項３】
前記第２リレーレンズは、前記光軸に対してシフト偏心して配置されることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の画像投射装置。
【請求項４】
前記第２リレーレンズは、前記直角プリズムの斜面と平行、又は、前記投射レンズ部から遠い側ほど前記斜面との距離が遠くなるようにチルト偏心して配置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記第２リレーレンズは、前記投射レンズ部から遠ざかる方向にシフト偏心して配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項６】
前記画像生成部は、前記光軸に対して垂直に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項７】
前記第２リレーレンズは、非球面レンズであり、前記直角プリズムの斜面と平行に配置されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、画像投射装置の小型化、低価格化、及び高性能化が進んでいる。例えば、特許文献１には、１つのプリズムと１つのリレーレンズとを用いて、画像表示素子を照明するための光学系を構成した投射型表示素子が開示されている。この投射型表示素子は、リレーレンズのカット面とプリズムの全反射面とを特殊な接着剤で接着することにより形成されるレンズ一体型プリズムが用いられる。かかる構成により、２つのプリズムを用いる構成よりも小型化を実現している。
【０００３】
また、特許文献２には、偏光ビームスプリッタの代わりに臨界角プリズムを採用した反射型プロジェクタが開示されている。この反射型プロジェクタは、略平行配置された２つのリレーレンズと、偏光子と、１つのプリズムとが用いられる。偏光ビームスプリッタを使用する場合には、偏光成分の透過／反射特性の低下を防止するために、偏光ビームスプリッタに入射する光の平行性を高精度に確保する。これに対し、上記特許文献２に記載の反射型プロジェクタの構成によれば、偏光ビームスプリッタの代わりに臨界角プリズムを利用するため、高精度な光の平行性を確保する必要がない。このため、全体サイズの大型化、コスト高を抑えたまま反射型プロジェクタの性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０８６７４号公報
【特許文献２】特開平１１−２７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載の構成では、リレーレンズとプリズムとを特殊な接着剤で接着するため、製作容易性が低下する。また上記特許文献２に記載の構成では、偏光を用いるため、偏光効率に応じた光量の低下が生じる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、性能及び製作容易性を確保したまま小型化を図ることのできる、新規かつ改良された画像投射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、光源と、上記光源側から入射される光を透過させる第１リレーレンズと、上記第１リレーレンズの光軸に対して偏心配置され、上記第１リレーレンズから入射される光を透過させる第２リレーレンズと、上記第２リレーレンズ側から入射される光から画像を生成して反射させる画像生成部と、上記第２リレーレンズから入射される光を上記画像生成部に向けて透過させ、上記画像生成部により反射されて再入射される光を全反射させる直角プリズムと、上記直角プリズムにより全反射された光を拡大透過させる投射レンズ部と、を有することを特徴とする画像投射装置が提供される。
【０００８】
かかる構成により、画像生成部に入射する光の入射角度を制御することが容易となる。このため、画像投射装置の全体サイズを小さくすることが可能になる。
【０００９】
また、上記第２リレーレンズは、上記光軸に対してチルト偏心して配置されてもよい。
【００１０】
また、上記第２リレーレンズは、上記光軸に対してシフト偏心して配置されてもよい。
【００１１】
また、上記第２リレーレンズは、上記投射レンズ部から遠い側ほど上記直角プリズムの斜面との距離が遠くなるようにチルト偏心して配置されてもよい。
【００１２】
また、上記第２リレーレンズは、上記投射レンズ部から遠ざかる方向にシフト偏心して配置されてもよい。
【００１３】
また、上記画像生成部は、上記光軸に対して垂直に配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、性能及び製作容易性を確保したまま画像投射装置の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像投射装置の概略的な構成図である。
【図２】同実施形態に係る画像投射装置の配置の差異による照度の変化を比較するための説明図である。
【図３】同実施形態に係る画像投射装置において用いられるプリズムの屈折率について説明するための説明図である。
【図４】同実施形態に係る画像投射装置の配置及び照明系部分の光路を示す説明図である。
【図５】比較例としての画像投射装置の配置及び照明系部分の光路を示す説明図である。
【図６】同実施形態に係る画像投射装置と比較例としての画像投射装置との画像生成部の配置及び結像特性についての説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
まず、図１を参照しながら、本発明の一実施形態に係る画像投射装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る画像投射装置の概略的な構成図である。
【００１８】
また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。例えば、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成を、必要に応じてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）１ｒ、ＬＥＤ１ｇ、ＬＥＤ１ｂのように区別する。ここでは、ＬＥＤ１ｒは赤色ＬＥＤであり、ＬＥＤ１ｇは緑色ＬＥＤであり、ＬＥＤ１ｂは青色ＬＥＤである。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。例えば、ＬＥＤ１ｒ、ＬＥＤ１ｇ、ＬＥＤ１ｂなどを特に区別する必要が無い場合には、単にＬＥＤ１と称する。
【００１９】
画像投射装置１００は、ＬＥＤ１と、コリメータ部２と、ダイクロイックフィルタ３と、フライアイレンズ４と、第１リレーレンズ５と、第２リレーレンズ６と、直角プリズム７と、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）８と、投射レンズ部９と、を有する。
【００２０】
ＬＥＤ１は、光を生成投射する光源である。画像投射装置１００は、赤色の光源であるＬＥＤ１ｒ、緑色の光源であるＬＥＤ１ｇ、及び青色の光源であるＬＥＤ１ｂを有する。この光源であるＬＥＤ１から発された光は、コリメータ部２に入射される。
【００２１】
コリメータ部２は、ＬＥＤ１から発された光を並行光線にしてダイクロイックフィルタ３に入射させる。このコリメータ部２は、ＬＥＤ１ｒ、ＬＥＤ１ｇ、ＬＥＤ１ｂのそれぞれに設けられる。コリメータ部２ｒは、ＬＥＤ１ｒから発された赤色光を並行光線にする。コリメータ部２ｇは、ＬＥＤ１ｇから発された緑色光を並行光線にする。またコリメータ部２ｂは、ＬＥＤ１ｂから発された青色光を並行光線にする。コリメータ部２ｒ、コリメータ部２ｇ、及びコリメータ部２ｂは、それぞれ複数のレンズを含んでもよい。コリメータ部２ｒ、コリメータ部２ｇ、及びコリメータ部２ｂから出射される光は、それぞれダイクロイックフィルタ３に入射される。
【００２２】
ダイクロイックフィルタ３は、コリメータ部２ｒ、コリメータ部２ｇ、及びコリメータ部２ｂから入射される光を合成する。ダイクロイックフィルタ３において合成された光は、フライアイレンズ４に入射される。
【００２３】
フライアイレンズ４は、複数のレンズが並べられた構造をしているレンズ体である。フライアイレンズ４は、主に光を効率よく照射面へ導くとともに、照射面での光の均一性を得ることを目的に使用される。フライアイレンズにより混合された光は、第１リレーレンズ５に入射される。
【００２４】
第１リレーレンズ５及び第２リレーレンズ６は、光源１側から入射される光をＤＭＤ８に結像させるリレーレンズ部を構成する。この第１リレーレンズ５及び第２リレーレンズ６は、球面レンズであってよい。或いはこの第１リレーレンズ５及び第２リレーレンズ６は、非球面レンズであってもよい。非球面レンズが用いられることにより、集光性が改善される。第１リレーレンズ５は、光源１側から入射される光を透過させる。第１リレーレンズ５により透過された光は、第２リレーレンズ６に入射される。第２リレーレンズ６は、第１リレーレンズ５から入射される光を透過させて、ＤＭＤ８上で結像させるように設計される。第２リレーレンズ６は、例えば一般的な凸レンズの形状であってよい。この第２リレーレンズ６は、第１リレーレンズ５の光軸に対して偏心配置される。第２リレーレンズ６は、上記光軸に対してチルト方向に偏心配置される。このとき第２リレーレンズ６は、直角プリズム７の斜面７１と略平行、又は投射レンズ部９から遠い側ほど直角プリズム７と第２リレーレンズ６との間の距離が大きくなるようにチルト偏心して配置される。例えば第２リレーレンズ６に非球面レンズが用いられる場合には、第２リレーレンズ６と直角プリズム７の斜面７１とを平行配置することが容易となり好適である。また第２リレーレンズ６は、上記光軸に対してシフト偏心して配置される。このとき第２リレーレンズ６は、投射レンズ部９から遠ざかる方向にシフト偏心して配置される。また、第２リレーレンズ６は、直角プリズム７の斜面７１に入射して透過される光が、ＤＭＤ８に例えば２４°の傾きで入射されるように設計される。
【００２５】
直角プリズム７は、光源１側から第２リレーレンズ６を介して入射される光をＤＭＤ８に向けて透過させるとともに、ＤＭＤ８により反射されて再入射される光を９０°曲げて全反射させる。直角プリズムの斜面７１は、第２リレーレンズ６から入射される光をＤＭＤ８に向けて透過させるとともに、ＤＭＤ８により反射されて再入射される光を全反射させる。またＤＭＤ８により反射されて直角プリズム７に再入射される光は、斜面７１の全反射角より大きい角度で斜面７１に入射される。この斜面７１において全反射された光は、投射レンズ部９に入射される。
【００２６】
ＤＭＤ８は、入射された光から画像を生成して反射する画像生成部の一例である。ＤＭＤ８は、多数の微小鏡面（マイクロミラー）が平面に配列された表示素子である。このＤＭＤ８に含まれるそれぞれのマイクロミラーは、下部に設けられた電極が駆動されることによりマイクロミラーの角度がＯＮとＯＦＦの状態のいずれかに切替えられる。上記にて、第２リレーレンズ６は、直角プリズム７の斜面に入射して透過される光が、ＤＭＤ８に２４°の傾きで入射されるように設計及び配置されることとした。２４°の傾きで入射され、それぞれのマイクロミラーにより反射される光は、マイクロミラーがＯＮのときには斜面７１の全反射角より大きい角度で斜面７１に入射して全反射される。またそれぞれのマイクロミラーにおいて反射された光は、マイクロミラーがＯＦＦの時には斜面７１の全反射角より小さい角度で斜面７１に入射、或いは斜面７１に入射しない（すなわち、投射レンズ部９側には反射されない）。ＤＭＤ８のマイクロミラー下部に設けられた電極は、出力される画像の画像情報に従って駆動される。かかる構成により、ＤＭＤ８は、画像を生成することができる。このＤＭＤ８は、第１リレーレンズ５の光軸（すなわちフライアイレンズ４の光軸）と垂直に配置することができる。ＤＭＤ８をフライアイレンズ４の光軸と垂直に配置することができることによって、画像投射装置１００のケース作成及び組立が容易となる。
【００２７】
投射レンズ部９は、直角プリズム７により全反射された光を拡大透過させる。投射レンズ部９は、入射された光をスクリーン（図示せず）上に集光させる。
【００２８】
以上、本発明の一実施形態に係る画像投射装置１００の構成について説明した。ここで繰り返しとはなるが、画像投射装置１００における光の経路についてまとめておく。画像投射装置１００においてＬＥＤ１の発する光は、コリメータ部２を介してダイクロイックフィルタ３に入射され、ダイクロイックフィルタ３において合成される。その後、フライアイレンズ４に入射される光はフライアイレンズ４において混合されて第１リレーレンズ５に入射される。第１リレーレンズ５に入射された光は、透過されて第２リレーレンズ６に入射される。このとき、第２リレーレンズ６は、出射される光が、ＤＭＤ８のＯＮ状態のマイクロミラーにより反射されたときに直角プリズム７の斜面７１に全反射角以上の角度で入射するように設計される。従って、ＤＭＤ８のＯＮ状態のマイクロミラーにより反射された光は、直角プリズム７の斜面７１において全反射され、投射レンズ部９に入射される。投射レンズ部９に入射された光は拡大透過され、スクリーンにおいて結像される。
【００２９】
図２には、本実施形態に係る画像投射装置１００において、第２リレーレンズ６を配置する傾きが互いに異なる配置Ａ及び配置Ｂにおける、ＤＭＤ８における照度が示される。図２は、同実施形態に係る画像投射装置の配置の差異による照度の変化を比較するための説明図である。配置Ａの場合には、ＤＭＤ８における集光性が高く、照度は比較的均一であるのに対して、第２リレーレンズ６の偏心度を変化させた配置Ｂにおいては、集光性が悪化して、照度に偏りが生じることがわかる。このように、第２リレーレンズ６のチルト方向の偏心度は、ＤＭＤ８における集光性を考慮して決定することができる。例えば上述の通り、第２リレーレンズ６は、直角プリズム７の斜面７１と平行、又は投射レンズ部９から遠い側ほど直角プリズム７と第２リレーレンズ６との間の距離が大きくなるようにチルト偏心して配置されてよい。
【００３０】
また、直角プリズム７は、ＤＭＤ８において反射された光を斜面７１において全反射させることによって投射レンズ部９に向けて光を屈曲させる。ここでは、屈折率Ｎｄ＝１．６の材料を採用することによって、全反射角を大きくとることができるようになる。従って、Ｆ値の大きな照明光も反射させることができる。図３にはここで採用されたＮｄ＝１．６の材料による直角プリズムと、比較例としてのＮｄ＝１．５の材料による直角プリズムとの場合におけるＤＭＤ８により反射された光の光路が示される。図３は、同実施形態に係る画像投射装置において用いられるプリズムの屈折率について説明するための説明図である。Ｎｄ＝１．５の材料による直角プリズムでは、ＤＭＤ８から入射された光が全反射していないことがわかる。
【００３１】
図４には、同実施形態に係る画像投射装置１００の照明系からＤＭＤ８への光路の一例が示される。また、図５には、第２リレーレンズ６がない場合の照明系からＤＭＤ８への光路の一例が示される。図４は、同実施形態に係る画像投射装置の配置及び照明系部分の光路を示す説明図である。図５は、比較例としての画像投射装置の配置及び照明系部分の光路を示す説明図である。
【００３２】
図４と図５とを比較すると、第２リレーレンズ６を偏心配置して用いることにより、ＤＭＤ８への光の入射角度を制御することが容易となることがわかる。また、図５においては、ＤＭＤ８が第１リレーレンズ５の光軸に対して傾いて配置される。ＤＭＤ８が光軸に対して傾いて配置される場合には、投射レンズ部９も傾けて配置される。この場合、画像投射装置１００の全体サイズが大きくなる。また、画像投射装置１００の筐体の作成容易度が低下してしまう。
【００３３】
また図６には、第２リレーレンズ６が有る場合と無い場合それぞれのＤＭＤ８の配置及び直角プリズム７からＤＭＤ８への入射光の光路が示される。図６は、同実施形態に係る画像投射装置と比較例としての画像投射装置との画像生成部の配置及び結像特性についての説明図である。ここで示されるように、第２リレーレンズ６を用いる場合には、ＤＭＤ８における結像特性が向上していることがわかる。また、第２リレーレンズを用いない場合には、ＤＭＤ８が光軸に対して傾いて配置され、ＤＭＤ８における集光性も悪化している。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態の構成によれば、第２リレーレンズ６を偏心配置することにより、ＤＭＤ８に入射する光の入射角度を制御することが容易となる。また、ＤＭＤ８を光軸に対して垂直に配置することができるようになる。また、ＤＭＤ８における集光性も向上される。さらに、上記の特許文献１に示されるプロジェクタのように、プリズムとリレーレンズとの接着に特殊な接着剤を用いることがなく、リレーレンズの配置に自由度がある。また、これら光学系の筐体への取り付け構造についても単純化することができるようになる。
【００３５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３６】
例えば、上記実施形態では、光源にＬＥＤを用いたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、光源は、レーザであってもよい。または、ここで用いられる光源は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、又は超高圧水銀ランプなどのランプであってもよい。
【００３７】
一般的なランプを用いる場合には、例えばライトトンネルとカラーホイールを用いて照明光学系を構成することができる。このときランプはライトトンネル入口に光を集光し、ライトとライトトンネルとの間にカラーホイールが配置される。ライトトンネルを伝搬した光は、リレーレンズに入射されてＤＭＤを照明することができる。
【００３８】
また上記実施形態では、画像生成部の一例としてＤＭＤが挙げられた。しかし、本発明はかかる例に限定されない。例えば、画像生成部は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの反射型表示素子であってよい。
【符号の説明】
【００３９】
１００      画像投射装置
１          ＬＥＤ
２          コリメータ部
３          ダイクロイックフィルタ
４          フライアイレンズ
５          第１リレーレンズ
６          第２リレーレンズ
７          直角プリズム
８          ＤＭＤ（画像生成部）
９          投射レンズ部
【図１】
2013083709.tif 000003
【図３】
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【図４】
2013083709.tif 000005
【図５】
2013083709.tif 000006
【図６】
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【図２】
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