JP2015184303A - 光源光学装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】光源光の光効率を向上させた光源光学装置及びプロジェクタ１０を提供する。
【解決手段】光源と、光源から出射された光を屈折する複数枚のレンズとで構成された照明光学系１１０と、照明光学系１１０を介した光源光を屈折透過させるＴＩＲプリズム１２０と、を備え、照明光学系１１０における複数枚のレンズの内の最前方に位置するレンズ１１９の光軸が、他のレンズの光軸からずれている光源光学装置とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＴＩＲプリズムを用いて光源光を表示素子に照射する光源光学装置及びこの光源光学装置を備えたプロジェクタに関する。

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画像、さらにメモリカード等に記憶されている画像データによる画像等をスクリーンに投影する画像投影装置としてのデータプロジェクタが多用されている。従来、このようなプロジェクタは、高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、省電力、高寿命、高輝度なレーザーダイオードを用いたプロジェクタの提案がなされている。

そして、プロジェクタの小型軽量化や光学系の簡素化を促進するため、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）により形成した画像光を投影光学系である投影レンズに入射させるに際し、ＴＩＲプリズム（全反射プリズム）を用いることも提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。

特開２００２−１５６６０２号公報 特開２０１２−０７３４８９号公報

ＴＩＲプリズムを用いるプロジェクタでは、ＤＭＤ等の表示素子により投影画像光を形成し、この表示素子から出射されてＴＩＲプリズムで全反射される画像光の主光線の向きを、投影レンズの光軸の向きと略一致させるようにＴＩＲプリズムの配置を決定している。

しかし、表示素子から出射される各画素の光には、主光線と平行な光のみならず、各マイクロミラーの反射光の主光線の向きからＴＩＲプリズムの全反射面での入射角を小さくする向きに出射される光が含まれており、主光線をＴＩＲプリズムの全反射面での入射角が全反射臨界角を越える向きに設定しても、マイクロミラーで反射された光の一部には臨界角に達しない光も含まれ、一部の光は、全反射されることなく、投影レンズに向かわない。
このことが、光の利用率が低下する一因となっていた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ＴＩＲプリズムを用いたプロジェクタにおいて光源の光利用効率を向上させる光学系とした光源光学装置及びこの光源光学装置を備えたプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明の光源光学装置は、光源と、前記光源から出射された光を屈折させる複数枚のレンズで構成された照明光学系と、前記照明光学系を介した光源光を屈折透過させるＴＩＲプリズムと、を備え、前記複数枚のレンズの内の最前方に位置するレンズの光軸が、他のレンズの光軸からずれていることを特徴とする。

本発明のプロジェクタは、上述の光源光学装置と、前記光源光学装置からの出射光が照射されて投影光を生成する表示素子と、前記表示素子で形成されて前記光源光学装置の前記ＴＩＲプリズムを介して出射された画像光をスクリーンに投影する前記投影光学系と、前記表示素子や前記光源光学装置の制御を行うプロジェクタ制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、光利用率の高い光源光学装置及びこの光源光学装置を備えた小型のプロジェクタを提供することができる。

本発明の実施形態に係るプロジェクタを示す外観斜視図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの機能ブロックを示す図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの内部構造を示す平面模式図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタのマイクロレンズアレイに光が入射して出射される様子を示す断面模式図である。 本発明の実施形態に係る照明光学系及びＴＩＲプリズムに光が入射して出射される様子を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る照明光学系及びＴＩＲプリズムによる光軸状態と全反射臨界角を示す模式図である。 比較例として、一般的な照明光学系である光軸を１本とした照明光学系及びＴＩＲプリズムによる光軸状態と全反射臨界角を示す模式図である。 別の比較例として、光軸を一致させた系において、ＴＩＲプリズムとして主プリズムと入射プリズムとを備える２枚プリズムを用いた場合を示す平面模式図である。 本発明の実施形態に係るＴＩＲプリズムの変形例を示す平面模式図である。 本発明の実施形態に変形例として、最前方の凹レンズをずらした場合を示す平面模式図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳説する。図１は、プロジェクタ１０の外観斜視図である。なお、本実施形態において、プロジェクタ１０における左右とは投影方向に対しての左右方向を示し、前後とはプロジェクタ１０のスクリーン側方向及び光線群の進行方向に対しての前後方向を示す。

そして、プロジェクタ１０は、図１に示すように、略直方体形状であって、プロジェクタ筐体の前方の側板とされる正面板１２の側方に投影部を有すると共に、この正面板１２には複数の排気孔１７を設けている。さらに、図示しないがリモートコントローラからの制御信号を受信するＩＲ受信部を備えている。

また、筐体の上ケース１１にはキー／インジケータ部３７が設けられ、このキー／インジケータ部３７には、電源スイッチキーや電源のオン又はオフを報知するパワーインジケータ、投影のオン、オフを切りかえる投影スイッチキー、光源ユニット６０や表示素子５１又は制御回路等が過熱したときに報知をする過熱インジケータ等のキーやインジケータが配置されている。また、上ケース１１は、プロジェクタ１０における筐体の上面と左側面の一部までを覆っており、故障時等には上ケース１１を下ケース１６から取り外せる構成とされている。

さらに、筐体の背面には、図示されない背面板にＵＳＢ端子やアナログＲＧＢ映像信号が入力される映像信号入力用のＤ−ＳＵＢ端子、Ｓ端子、ＲＣＡ端子、音声出力端子等を設ける入出力コネクタ部及び電源アダプタプラグ等の各種端子が設けられている。また、背面板には、複数の吸気孔が形成されている。

次に、プロジェクタ１０のプロジェクタ制御手段について図２の機能ブロック図を用いて述べる。プロジェクタ制御手段は、制御部３８、入出力インターフェース２２、画像変換部２３、表示エンコーダ２４、表示駆動部２６等から構成される。

この制御部３８は、プロジェクタ１０内の各回路の動作制御を司るものであって、ＣＰＵ、各種セッティング等の動作プログラムを固定的に記憶したＲＯＭ及びワークメモリとして使用されるＲＡＭ等により構成されている。

そして、このプロジェクタ制御手段により、入出力コネクタ部２１から入力された各種規格の画像信号は、入出力インターフェース２２、システムバス（ＳＢ）を介して画像変換部２３で表示に適した所定のフォーマットの画像信号に統一するように変換された後、表示エンコーダ２４に出力される。

また、表示エンコーダ２４は、入力された画像信号をビデオＲＡＭ２５に展開記憶させた上でこのビデオＲＡＭ２５の記憶内容からビデオ信号を生成して表示駆動部２６に出力する。

表示駆動部２６は、表示素子制御手段として機能するものであり、表示エンコーダ２４から出力された画像信号に対応して適宜フレームレートで空間的光変調素子（ＳＯＭ）である表示素子５１を駆動するものである。

そして、このプロジェクタ１０では、赤色波長帯域、緑色波長帯域、青色波長帯域の各光線群を時分割で出射する光源とした光源ユニット６０から出射光を、照明光学系１１０及びＴＩＲプリズム（全反射プリズム）１２０を介して表示素子５１に照射することにより、ＤＭＤ等の表示素子５１の反射光で光像を形成し、投影光学系を介して図示しないスクリーンに画像を投影表示する。なお、この投影光学系の可動レンズ群２３５は、レンズモータ４５によりズーム調整やフォーカス調整のための駆動が行われる。

また、画像圧縮／伸長部３１は、画像信号の輝度信号及び色差信号をＡＤＣＴ及びハフマン符号化等の処理によりデータ圧縮して着脱自在な記録媒体とされるメモリカード３２に順次書き込む記録処理を行う。

さらに、画像圧縮／伸長部３１は、再生モード時にメモリカード３２に記録された画像データを読み出し、一連の動画を構成する個々の画像データを１フレーム単位で伸長し、この画像データを、画像変換部２３を介して表示エンコーダ２４に出力し、メモリカード３２に記憶された画像データに基づいて動画等の表示を可能とする処理を行う。

そして、筐体の上ケース１１に設けられるメインキー及びインジケータ等により構成されるキー／インジケータ部３７の操作信号は、直接に制御部３８に送出され、リモートコントローラからのキー操作信号は、Ｉｒ受信部３５で受信され、Ｉｒ処理部３６で復調されたコード信号が制御部３８に出力される。

なお、制御部３８にはシステムバス（ＳＢ）を介して音声処理部４７が接続されている。この音声処理部４７は、ＰＣＭ音源等の音源回路を備えており、投影モード及び再生モード時には音声データをアナログ化し、スピーカ４８を駆動して拡声放音させる。

また、制御部３８は、光源制御手段としての光源制御回路４１を制御しており、この光源制御回路４１は、画像生成時に要求される所定波長帯域の光が光源ユニット６０から出射されるように、光源ユニット６０の緑色光源装置６１、赤色光源装置９１及び青色光源装置９５の発光を個別に制御する。

さらに、制御部３８は、冷却ファン駆動制御回路４３に光源ユニット６０等に設けた複数の温度センサによる温度検出を行わせ、この温度検出の結果から冷却ファンの回転速度を制御させている。また、制御部３８は、冷却ファン駆動制御回路４３にタイマー等によりプロジェクタ本体の電源オフ後も冷却ファンの回転を持続させる、あるいは、温度センサによる温度検出の結果によってはプロジェクタ本体の電源をオフにする等の制御も行う。

次に、このプロジェクタ１０の内部構造について述べる。図３は、プロジェクタ１０の内部構造を示す平面模式図である。プロジェクタ１０は、中央部分に光源とする光源ユニット６０を備え、光源ユニット６０の左側方に照明光学系１１０を備え、更に照明光学系１１０の左にＴＩＲプリズム１２０と表示素子５１とを備えて光源ユニット６０と照明光学系１１０とＴＩＲプリズム１２０とによる光源光学装置とし、ＴＩＲプリズム１２０の前方に投影光学系が内装されたレンズ鏡筒１４０を備えている。

また、プロジェクタ１０は、光源ユニット６０の下方に主制御回路基板を備えると共に、左側板１４の内側には、光源制御回路４１や冷却ファン駆動制御回路４３、更にフォーカスモータやズームモータの駆動制御回路等を組み込む各種の制御基板を備えている。

そして、プロジェクタ１０は、背面板１３の内側における左側板１４の近傍には、表示素子５１を冷却させる冷却ファン５５を備え、背面板１３及び左側板１４の内側に配置したヒートシンク５３により表示素子５１を冷却している。

また、この光源ユニット６０は、赤色光源装置９１として赤色レーザーダイオード９３を用い、青色光源装置９５として青色レーザーダイオード９７を用いて発光手段を形成し、赤色光源装置９１及び青色光源装置９５を冷却するヒートシンク８３を光源ユニット６０の右側板１５側に備えている。

この光源ユニット６０は、緑色光源装置６１と、赤色光源装置９１と、青色光源装置９５と、ダイクロイックミラー１０１と、を備えるものである。緑色光源装置６１は、背面板１３の近傍においてプロジェクタ１０筐体の左右方向における略中央部分に配置される励起光照射装置６３とこの励起光照射装置６３から出射される光線群の光軸上であって正面板１２の近傍に配置される蛍光発光装置７３とで発光手段を構成し、青色光源装置９５と赤色光源装置９１とは、プロジェクタ１０の筐体の略中央やや右側寄りの位置に配置するものとしている。

この励起光照射装置６３は、背面板１３と光軸が垂直になるよう配置された半導体発光素子による励起光源６５とする青色レーザーダイオード６６と、励起光源６５と背面板１３との間に配置されたヒートシンク８１と、を備え、青色レーザーダイオード６６の前方にコリメータレンズ６７を有している。

励起光源６５は、半導体発光素子である青色レーザーダイオード６６を左右方向へ２個に並べたものを上下に２組配置することによる４（２×２）個の半導体発光素子で構成しており、各青色レーザーダイオード６６の光軸上には、各青色レーザーダイオード６６からの出射光を平行光に変換する集光レンズであるコリメータレンズ６７が夫々配置されている。

ヒートシンク８１と背面板１３との間には、冷却媒体として外気を吸入してヒートシンク側に送風する送風ファンである冷却ファン８５が配置されており、この冷却ファン８５とヒートシンク８１とによって励起光源６５が冷却される。

また、緑色光源装置６１における蛍光発光装置７３は、正面板１２と平行となるように、つまり、励起光照射装置６３からの出射光の光軸と直交するように配置された蛍光ホイール７５と、この蛍光ホイール７５を回転駆動するホイールモータ７７と、蛍光ホイール７５から背面板１３方向に出射される光線群を集光する集光レンズ群７９と、を備える。ホイールモータ７７と正面板１２との間には冷却ファン８９が配置されており、正面板１２の排気孔１７から排気を行うことよって蛍光ホイール７５が冷却される。

蛍光ホイール７５は、円板状の金属基材であって、励起光源６５からの出射光を励起光として緑色波長帯域の蛍光発光光を出射する環状の蛍光発光領域が凹部として形成され、励起光を受けて蛍光発光する蛍光体層が設けられる。そして、蛍光発光領域を含む蛍光ホイール７５の励起光源６５側の表面は、銀蒸着等によってミラー加工されることで光を反射する反射面が形成され、この反射面上に緑色蛍光体の層が敷設されている。

蛍光ホイール７５の緑色蛍光体層に照射された励起光照射装置６３からの出射光は、緑色蛍光体層における緑色蛍光体を励起する。そして、緑色蛍光体から全方位に蛍光発光された光線群は、直接、励起光源６５側へ、あるいは、蛍光ホイール７５の反射面で反射した後に励起光源６５側へ出射される。

また、蛍光体層の蛍光体に吸収されることなく、金属基材に照射された励起光は、反射面により反射されて再び蛍光体層に入射し、蛍光体を励起することとなる。よって、蛍光ホイール７５の凹部の表面を反射面とすることにより、緑色波長帯域光の励起光源６５から出射される励起光の利用効率を上げることができ、より明るく発光させることができる。

赤色光源装置９１と青色光源装置９５とは、その出射光の光軸と励起光源６５からの光の光軸とが直交するように、すなわち緑色光源装置６１である蛍光発光装置７３からの蛍光発光光の光軸と直交するようにして、赤色レーザーダイオード９３と青色レーザーダイオード９７とが並設されている。青色光源装置９５は、青色レーザーダイオード９７と、青色レーザーダイオード９７からの出射光を所定範囲の光に集光して出射するコリメータレンズ９８と、を備える。青色レーザーダイオード９７は、上下方向に並べて二個が配置されている。

そして、青色レーザーダイオード９７の前後の両側には、赤色光源装置９１の赤色レーザーダイオード９３が前後それぞれ上下方向に並べて二個ずつ、合計四個が配置されている。赤色光源装置９１は、赤色レーザーダイオード９３と、赤色レーザーダイオード９３からの出射光を所定範囲の光に集光して出射するコリメータレンズ９４と、を備える。そして、赤色光源装置９１及び青色光源装置９５は、励起光照射装置６３からの出射光及び蛍光ホイール７５から出射される緑色波長帯域光が交差するように配置されている。

この赤色レーザーダイオード９３や青色レーザーダイオード９７から出射されるレーザー光は、主光線に垂直な断面形状が長楕円形のコヒーレント光である。そして、これら赤色レーザーダイオード９３及び青色レーザーダイオード９７については、コリメータレンズとの距離調整を行って、照明光学系１１０のマイクロレンズアレイ１１１への照射光を所定範囲に集光させて出射させる。異なる波長帯域光である赤色波長帯域光及び青色波長帯域光の両発光光は、近接平行で同一方向に出射される。

赤色光源装置９１及び青色光源装置９５の右側板１５側に設けたヒートシンク８３と正面板１２との間には、ヒートシンク８３によって暖められた空気を吸い込んで装置外部に排出するための冷却ファン８７が配置されており、この冷却ファン８７によって赤色レーザーダイオード９３及び青色レーザーダイオード９７が冷却される。

そして、赤色光源装置９１及び青色光源装置９５の光軸と、励起光照射装置６３及び蛍光発光装置７３の光軸と、が直交して交差する位置に、青色及び赤色波長帯域光を透過し、緑色波長帯域光を反射してこの緑色光の光軸を左側板１４方向に９０度変換するダイクロイックミラー１０１が配置されている。したがって、１枚のダイクロイックミラー１０１により、赤色波長帯域光、緑色波長帯域光及び青色波長帯域光の各光が同一の光路に重ね合わされて、各波長帯域光が時分割に発光する光源ユニット６０となる。そして、その光源ユニット６０からの出射された光が、照明光学系１１０のマイクロレンズアレイ１１１に入射することになる。

そして、ダイクロイックミラー１０１の左方には、導光手段と複数のレンズとによる照明光学系１１０が配置されている。この導光手段とするマイクロレンズアレイ１１１は、光源ユニット６０からの出射光を拡散させ、輝度分布を均一化させるものである。

本実施形態におけるマイクロレンズアレイ１１１は、レンズ形状として平面視横長矩形形状の凸レンズであるマイクロレンズ１１２を格子状に配列しているものである。そして、マイクロレンズアレイ１１１の左側板１４側には、照明光学系レンズとして複数枚のレンズが配置される。複数枚のレンズは、マイクロレンズアレイ１１１を透過した拡散均一光を表示素子５１の有効サイズに集光させるものである。

即ち、光源としての光源ユニット６０から出射された光源光は、マイクロレンズアレイ１１１により、均一な強度分布とされ、凸レンズである第１レンズ１１５や第３レンズ１１９及び凹レンズである第２レンズ１１７を介してＴＩＲプリズム１２０に入射される。

ＴＩＲプリズム１２０に入射された光源光は、前方にカバーガラスを有する表示素子５１に入射され、表示素子５１で反射されたオン光は、再度ＴＩＲプリズム１２０に入射され、画像光としてレンズ鏡筒１４０に入射されて投影光学系によりスクリーンに投影される。

この投影光学系としては、レンズ鏡筒１４０に内蔵する固定レンズ群と可動鏡筒に内蔵する可動レンズ群２３５とを備えてズーム機能を備えた可変焦点型レンズとされ、レンズモータ４５により可動レンズ群２３５が移動されることにより、ズーム調整やフォーカス調整が可能とされている。

このように、この照明光学系１１０では、図４に示すように、光源ユニット６０から出射された光源光がマイクロレンズアレイ１１１の各マイクロレンズ１１２に入射される。そして、各マイクロレンズ１１２に入射された光は、一旦集光した後に拡散光となり、各マイクロレンズ１１２に入射された光の一部が相互に重なって第１レンズ１１５に入射される。

このように、各マイクロレンズ１１２に入射された光の一部が相互に重なるために、各マイクロレンズ１１２に入射される光線群の一部に光密度の差異が生じていても、この光密度の差、即ち部分的な輝度の差が小さくなり、光源光の輝度むらが均一化される。

そして、図５に示すように、第１レンズ１１５で集光された光源光は、凹レンズである第２レンズ１１７により拡散され、更に第３レンズ１１９で集光されてＴＩＲプリズム１２０に入射される。

このＴＩＲプリズム１２０は、直角二等辺三角柱の単プリズムであって、柱底面の斜辺を含む側面を斜辺面１２３とし、柱底面の直角を挟む側面である二隣辺面の内の一面を隣辺面１２７としてカバーガラス５２を備えた表示素子５１に対向されるとともに、この二隣辺面の内の他のもう一面を隣辺面１２５として投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０の入射口に対向される。

また、入射面とする斜辺面１２３は、表示素子５１からのオン光に対する全反射面を兼ねる。

従って、導光手段としたマイクロレンズアレイ１１１により光源光を均一化し、第１レンズ１１５や第２レンズ１１７及び第３レンズ１１９により光源光を集光して表示素子５１の矩形状の有効部範囲に各マイクロレンズ１１２の入射側面を物（ブツ）とした像を重ね合わせて結像させることができる。

また、表示素子５１により画像光として形成されるオン光は、図５に示したようにＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２７から入射した後、斜辺面１２３で反射されて、レンズ鏡筒１４０に入射される方向へ隣辺面１２５から出射されることとなる。また、ＴＩＲプリズム１２０に入射されたオフ光は、図示していないが、斜辺面１２３または隣辺面１２５で反射されてレンズ鏡筒１４０の入射口には向かわない。

そして、図５等に示したように、この照明光学系１１０は、照明光学系１１０の３枚のレンズにおいて、第１レンズ１１５及び第２レンズ１１７の光軸は一致しているが、最前方の第３レンズ１１９の光軸は、マイクロレンズアレイ１１１や第１レンズ１１５及び第２レンズ１１７の光軸の位置から平行移動されるように位置がずれている。

この凸レンズである第３レンズ１１９をずらす方向は、ＴＩＲプリズム１２０の斜辺面１２３に沿った方向に主光線の向きを外すようにして光源光の入射面である斜辺面１２３が第２レンズ１１９即ち照明光学系１１０から離れる方向（図５における右側方向）にずらす方向であって、これにより、第２レンズ１１７を透過し、第３レンズ１１９により屈折された光線群のＴＩＲプリズム１２０の入射面である斜辺面１２３への入射角を大きくしている。

この場合のオン光の主光線と光路と、オン光の臨界角となる光線の光路を、図６を用いて説明する。
即ち、図５に示したように、この照明光学系１１０では、マイクロレンズアレイ１１１を介して第１レンズ１１５に入射する光線群の全体は、第１レンズ１１５及び第２レンズ１１７を透過しても光軸上主光線の方向が変更されることなく光線群の集光度を変化させる。そして、図６に示すように、第３レンズ１１９を透過するときにその光線の方向が屈曲され、オン光の主光線については、ＴＩＲプリズム１２０の斜辺面１２３に照射する際の入射角α３が大きくなり、表示素子５１と対向する隣辺面１２７の屈折角α１が所定の角度となる。

この隣辺面１２７からの屈折角α１は、ＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２７を表示素子５１の平面と平行とする場合、オン光の主光線を隣辺面１２７に対して垂直に入射させるために表示素子であるＤＭＤの仕様（各マイクロミラーがＤＭＤ表面に対して±１２度傾くという仕様）により２４度と規定されることになる。

ＴＩＲプリズム１２０として屈折率が一般的な値である約１．５９の光学ガラスを用いた場合、隣辺面１２７からの出射角α１を２４度とするためには、この図のように、斜辺面１２３への入射角α３は４５度よりも大きな５３度となる。
したがって、その入射角になるように、第３レンズ１１９の焦点距離との関係に応じて、第１レンズ１１５及び第２レンズ１１７との光軸からの第３レンズ１１９の光軸のずらし量が決定される。

このように、表示素子５１から出射されるオン光の主光線の向きを、ＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２７に対して垂直とすれば、全反射面である斜辺面１２３での全反射による主光線の向きの変化角は９０度となり、ＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２５に対して主光線の向きは垂直となり、投影光学系を備えたレンズ鏡筒１４０に入射させることができる。

従って、投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０の光軸を、表示素子５１の画像形成面の法線に対して９０度で交わる方向、且つ、照明光学系１１０の光軸と９０度交わる方向としてレンズ鏡筒１４０を配置することができる。

そして、このＴＩＲプリズム１２０は、屈折率を約１．５９とする光学ガラスを用いているため、臨界角β１は約３９度となり、オン光が隣辺面１２７からＴＩＲプリズム１２０に入射される際の隣辺面１２７におけるオン光の屈折角β２は約６度となる。

このため、図６において、表示素子５１の各マイクロミラーで反射されたオン光の内、隣辺面１２７の法線に対して右側に６度以上の傾きとされたオン光成分の光は、斜辺面１２３で反射されずにＴＩＲプリズム１２０から外部に漏れ出すことになり、法線に対して図６における右側への傾きが６度以内の光及び左側に傾く光は全て斜辺面１２３で全反射されることになる。
換言すると、隣辺面１２７の法線に対して右側に６度までの傾きとされたオン光成分の光は、斜辺面１２３で全反射されてＴＩＲプリズム１２０からレンズ鏡筒１４０側に出射されることになる。そして、その際の屈折角β３は、約９．６度になる。

＜第１の比較例＞
この本実施の形態に対し、第３レンズ１１９の光軸を第１レンズ１１５の光軸と一致させた一般の光学系（第１の比較例）では、図７に示すように、第３レンズ１１９を透過してＴＩＲプリズム１２０の斜辺面１２３に入射する光線の主光線は、斜辺面１２３への入射角α４が４５度となり、表示素子５１への入射角、即ち隣辺面１２７からの屈折角α１を２４度とするためにはＴＩＲプリズム１２０は屈折率が約１．４６という屈折率の小さな光学ガラスを用いることになる。

このため、このＴＩＲプリズム１２０での臨界角β４は約４３度となり、オン光が隣辺面１２７からＴＩＲプリズム１２０に入射される際の隣辺面１２７におけるオン光の屈折角β５は約２度となる。

従って、このＴＩＲプリズム１２０では、図７において、表示素子５１の各マイクロミラーで反射されたオン光の内、表示素子５１の法線に対して右側に２度以上の傾きとされたオン光成分の光は、斜辺面１２３で反射されずにＴＩＲプリズム１２０から外部に漏れ出すことになる。
換言すると、隣辺面１２７の法線に対して右側に２度までの傾きとされたオン光成分の光しか、斜辺面１２３で全反射されてＴＩＲプリズム１２０からレンズ鏡筒１４０側に出射されないことになる。そして、その際の屈折角β６は、約２．８度になる。

このように、本実施形態と上記第１の比較例を比べると、第１の比較例でのβ５の２度という値は、本実施形態では、図６に示すように、β２の約６度という大きな値になり、より全反射されやすくなっていることがわかる。

そして、レンズ鏡筒１４０側からすると、第１の比較例でのβ６の約２．８度という値は、本実施形態では、図６に示すように、β３の約９．６度という大きな値になり、より広い角度の光がレンズ鏡筒１４０に入射されるようになっていることがわかる。

このように、第３レンズ１１９の光軸をずらすことにより、ＴＩＲプリズム１２０への入射角を大きくし、ＴＩＲプリズム１２０としてより屈折率の高いプリズムを用いることを可能とし、オン光の全反射面である斜辺面１２３からの漏れを少なくすることができる。

従って、表示素子５１からのオン光の多くを投影光学系に入射させることができ、直角二等辺三角柱のプリズムを使用することにより、投影光学系の光軸と光源ユニット６０からの出射光の光軸との角度調整、及び、ＴＩＲプリズム１２０や表示素子５１の固定角や固定位置の設計及び調整を容易とすることができる。

＜第２の比較例＞
なお、ＴＩＲプリズム１２０として、前述の様な単独プリズムに限ることなく、全反射面や出射面１２５を有する主プリズム１２１と入射プリズム１３０とを備える２枚プリズムをわずかな隙間をはさんで用いた場合は、図８に示すように、第３レンズ１１９の光軸を第１レンズ１１５の光軸と一致させた場合であっても、ＴＩＲプリズム１２０への入射角を４５度より大きくできる。
したがって、ＴＩＲプリズム１２０の屈折率を図５、図６の場合と同様に、屈折率が一般的な値である約１．５９と同じもの使うことができ、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

しかし、図８に示す構造（第２の比較例）では、ＴＩＲプリズムとして、２枚プリズムを使う必要があり、小型化という点でも、コストという点でも不利になってしまう。また、部品数が多くなり、組み合わせ精度も要求されるという欠点もある。また２枚のプリズムを使用する場合は間のわずかな隙間を確実に設けるために周辺または四隅のみ接着する場合が多く、プリズムにそのための糊代が必要なため、小型化という点でも、コストという点でもさらに不利である。

これに対し、本実施形態の図５、図６の構成によれば、第３レンズの光軸をずらすという簡単の構成により、ＴＩＲプリズムとして、２枚プリズムを使う必要がなくなり、小型化という点でも、コストという点でも大きなメリットがある。また、部品数が少なくなり、精度も要求されないというメリットもある。

また、図９に示すように、本発明においても、ＴＩＲプリズム１２０として２枚プリズムとしてもよい。

この２枚プリズムとするＴＩＲプリズム１２０においても、照明光学系１１０の最前方の第３レンズ１１９の光軸を、ＴＩＲプリズム１２０の入射プリズム１３０における入射面が照明光学系１１０から離れる方向にずらすことにより、照明光学系１１０から出射される光源光を最前方のレンズにより曲げ、入射プリズム１３０への入射角、即ちＴＩＲプリズム１２０への入射角を大きくするように調整することができる。

このため、屈折率の高い光学ガラスを用いてＴＩＲプリズム１２０とし、全反射光量を増大させつつ、光源とする光源ユニット６０や照明光学系１１０、表示素子５１、投影光学系の配置設計等を容易とすることは図５、図６の場合と同様であるが、屈折率により自由度を持たせて、設計することができる。

そして、ＴＩＲプリズム１２０として主プリズム１２１と入射プリズム１３０との２枚プリズムとする場合は、直角二等辺三角柱プリズムを用いる場合に限るものではなく、適宜の二等辺三角柱プリズムを主プリズム１２１とすると共に、入射プリズム１３０も適宜の三角柱プリズムとしてもよい。

尤も、単独プリズム又は主プリズムとして直角二等辺三角柱プリズムを用いれば、屈折率の高い光学ガラスを用いたＴＩＲプリズム１２０の全反射面への入射光の臨界角を大きくし、表示素子５１からの画像光の入射角を４５度として全反射を行わせ、投影光学系へのオン光である画像光の全反射による主光線の向きの変化角を９０度としてプロジェクタ内の各種光学系の設計配置を容易とすることができる。

また、図３に示した光源ユニット６０は、半導体発光素子である励起光源６５及び蛍光体による緑色光源装置６１と、半導体発光素子としてのレーザーダイオード（ＬＤ）による赤色光源装置９１及び青色光源装置９５と、を組み合わせた三原色の光源としているが、光源としては、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子を用いる場合や、更に、三原色以外の黄色波長帯域光などの補色の波長帯域光を発する発光素子を追加してもよい。

このように、半導体発光素子を光源に用いれば、省電力にして寿命の長い光源とすることができ、励起光源と緑色蛍光体を用いた光源を組み合わせれば、明るい三原色を容易に得ることができる。そして、三原色の画像光を形成することにより、フルカラーの画像を形成することができる。

更に、半導体発光素子を用いた光源ユニット６０に換え、高圧放電ランプ等の白色光源とカラーホイールとを組み合わせ、少なくとも三原色を同一光軸として出射する光源としてもよい。
また、光源は、例えば、白色光源１つであって白黒の投影装置に用いられるような光源装置であってもよい。つまり、本発明は、光源の構成を限定するものではない。

そして、図３及び図５等に示した照明光学系１１０は、導光手段としてのマイクロレンズアレイ１１１と、複数枚のレンズとしての２枚の凸レンズ及び１枚の凹レンズによる３枚のレンズとで形成している。しかし、光源光の均一化に用いる導光手段はマイクロレンズアレイ１１１に限るものでなく、４枚のミラーを組み合わせて中空の四角柱形状とするライトトンネルや、光学ガラスにより中実の四角柱形状とする導光ロッドなど、光源光を均一化する適宜の導光手段としてもよい。

尤も、マイクロレンズアレイ１１１を用いれば、光源光学装置を小型化することが容易となり、ひいてはプロジェクタ１０を小型化することが容易となる。

また、照明光学系１１０に用いるレンズの枚数も３枚に限るものでなく、少なくとも２枚以上レンズによる照明光学系を形成し、照明光学系のレンズの内、ＴＩＲプリズム１２０に最も近い最前方レンズの中心をマイクロレンズアレイ１１１等の導光手段の中心軸から外すことにより、照明光学系１１０から出射される光源光を最前方の偏心したレンズにより屈折させ、ＴＩＲプリズム１２０への入射角を大きくするように変更させるものであればよい。

例えば、照明光学系１１０のレンズ枚数を３枚以上とし、２枚以上の凸レンズと１枚または複数枚の凹レンズとを組み合わせて最前方に凹レンズを配置する場合、ＴＩＲプリズム１２０への入射角を大きくするため、最前方の凹レンズ１１９ＡがＴＩＲプリズム１２０の入射面に接近する（近づく）方向にずらすことになる。
この場合の構成例を図１０に示す。

このように、照明光学系１１０として複数枚のレンズを用いれば、導光手段により均一化された光線を効率良く表示素子５１に集光するように結像させることができ、２枚の凸レンズの組み合わせとすれば、照明光学系１１０を小型軽量としつつ効果的に集光させることができる。

そして、２枚の凸レンズの中間に１枚の凹レンズを配置する照明光学系１１０は、導光手段から出射された光線群を表示素子５１に効率よく集光させるに際し、収差の発生を抑制して利用効率の良い照明光を表示素子５１に与え良好な画像光を生成させることができる。

尚、上記実施の形態では、照明光学系１１０の複数枚のレンズとした各レンズは、図面において、単レンズとして図示することにより説明したが、この各レンズは、複数枚のレンズが張り合わされた複合レンズであっても、１枚のレンズ（ユニット）として取り扱うことのできるレンズあれば、本発明における各レンズと同等であることは言うまでもない。

このように、赤色波長帯域光、緑色波長帯域光、青色波長帯域光の各光線群を時分割で出射する光源ユニット６０からの光源光を、照明光学系１１０により輝度を均一化しつつ照明光学系１１０の出射側の最前方レンズで光軸を屈折させた後、ＴＩＲプリズム１２０を介して屈折透過させることにより表示素子５１に照射する光源光学装置を備えたプロジェクタ１０は、小型にして光の利用効率が高く、明るい画像投影が可能なプロジェクタ１０とすることができる。

以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

以下に、本願出願の最初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］光源と、
前記光源から出射された光を屈折させる複数枚のレンズで構成された照明光学系と、
前記照明光学系を介した光源光を屈折透過させるＴＩＲプリズムと、
を備え、
前記複数枚のレンズの内の最前方に位置するレンズの光軸が、他のレンズの光軸からずれていることを特徴とする光源光学装置。
［２］前記複数枚のレンズの内の最前方に位置するレンズの光軸が、前記照明光学系からの出射光のＴＩＲプリズムへの入射角が大きくなるようにずれていることを特徴とする前記［１］に記載の光源光学装置。
［３］前記複数枚のレンズは、２枚の凸レンズを含むことを特徴とする前記［１］又は前記［２］に記載の光源光学装置。
［４］前記複数枚のレンズは、２枚の凸レンズとこの２枚の凸レンズの間に配置される凹レンズとの、３枚のレンズを含むことを特徴とする前記［３］に記載の光源光学装置。
［５］前記最前方に位置するレンズは凸レンズであって、前記ＴＩＲプリズムの入射面から離れる方向にずれていることを特徴とする前記［１］乃至前記［４］の何れかに記載の光源光学装置。
［６］前記最前方に位置するレンズは凹レンズであって、前記ＴＩＲプリズムの入射面に近づく方向にずれていることを特徴とする前記［１］乃至前記［４］の何れかに記載の光源光学装置。
［７］前記光源と前記複数枚のレンズとの間に、前記光源から出射された光を均一化する導光手段をさらに備えることを特徴とする記［１］乃至前記［６］の何れかに記載の光源光学装置。
［８］前記導光手段は、マイクロレンズアレイとされていることを特徴とする前記［７］に記載の光源光学装置。
［９］前記ＴＩＲプリズムは、直角二等辺三角柱プリズムであることを特徴とする前記［１］乃至前記［８］の何れかに記載の光源光学装置。
［１０］前記光源は、赤色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、緑色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、青色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、を含むことを特徴とする前記［１］乃至前記［９］の何れかに記載の光源光学装置。
［１１］前記光源は、赤色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、青色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、励起光源及び緑色蛍光体による緑色波長帯域光を出射する発光手段と、を含むことを特徴とする前記［１］乃至前記［９］の何れかに記載の光源光学装置。
［１２］前記［１］乃至前記［１１］の何れか記載の光源光学装置と、
前記光源光学装置からの出射光が照射されて投影光を生成する表示素子と、
前記表示素子で形成されて前記光源光学装置の前記ＴＩＲプリズムを介して出射された画像光をスクリーンに投影する前記投影光学系と、
前記表示素子や前記光源光学装置の制御を行うプロジェクタ制御手段と、
を備えることを特徴とするプロジェクタ

１０ プロジェクタ １１ 上ケース
１２ 正面板 １３ 背面板
１４ 左側板 １５ 右側板
１６ 下ケース １７ 排気孔
２１ 入出力コネクタ部 ２２ 入出力インターフェース
２３ 画像変換部 ２４ 表示エンコーダ
２５ ビデオＲＡＭ ２６ 表示駆動部
３１ 画像圧縮／伸長部 ３２ メモリカード
３５ 受信部 ３６ 処理部
３７ キー／インジケータ部
３８ 制御部 ４１ 光源制御回路
４３ 冷却ファン駆動制御回路 ４５ レンズモータ
４７ 音声処理部 ４８ スピーカ
５１ 表示素子 ５２ カバーガラス
５３ ヒートシンク ５５ 冷却ファン
６０ 光源ユニット
６１ 緑色光源装置
６３ 励起光照射装置 ６５ 励起光源
６６ 青色レーザーダイオード ６７ コリメータレンズ
７３ 蛍光発光装置
７５ 蛍光ホイール ７７ ホイールモータ
７９ 集光レンズ群
８１、８３ ヒートシンク ８５、８７、８９ 冷却ファン
９１ 赤色光源装置
９３ 赤色レーザーダイオード ９４ コリメータレンズ
９５ 青色光源装置
９７ 青色レーザーダイオード ９８ コリメータレンズ
１０１ ダイクロイックミラー
１１１ マイクロレンズアレイ １１２ マイクロレンズ
１１０ 照明光学系
１１５ 第１レンズ １１７ 第２レンズ
１１９ 第３レンズ １１９Ａ 凹レンズ
１２０ ＴＩＲプリズム
１２１ 主プリズム １２３ 斜辺面
１２５ 隣辺面 １２７ 隣辺面
１３０ 入射プリズム
１４０ レンズ鏡筒 ２３５ 可動レンズ群

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を屈折させる複数枚のレンズで構成された照明光学系と、
   前記照明光学系を介した光源光を屈折透過させるＴＩＲプリズムと、
   を備え、
   前記複数枚のレンズの内の最前方に位置するレンズの光軸が、他のレンズの光軸からずれていることを特徴とする光源光学装置。
2. 前記複数枚のレンズの内の最前方に位置するレンズの光軸が、前記照明光学系からの出射光のＴＩＲプリズムへの入射角が大きくなるようにずれていることを特徴とする請求項１に記載の光源光学装置。
3. 前記複数枚のレンズは、２枚の凸レンズを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源光学装置。
4. 前記複数枚のレンズは、２枚の凸レンズとこの２枚の凸レンズの間に配置される凹レンズとの、３枚のレンズを含むことを特徴とする請求項３に記載の光源光学装置。
5. 前記最前方に位置するレンズは凸レンズであって、前記ＴＩＲプリズムの入射面から離れる方向にずれていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光源光学装置。
6. 前記最前方に位置するレンズは凹レンズであって、前記ＴＩＲプリズムの入射面に近づく方向にずれていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光源光学装置。
7. 前記光源と前記複数枚のレンズとの間に、前記光源から出射された光を均一化する導光手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の光源光学装置。
8. 前記導光手段は、マイクロレンズアレイとされていることを特徴とする請求項７に記載の光源光学装置。
9. 前記ＴＩＲプリズムは、直角二等辺三角柱プリズムであることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れかに記載の光源光学装置。
10. 前記光源は、赤色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、緑色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、青色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の光源光学装置。
11. 前記光源は、赤色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、青色波長帯域光を出射する半導体発光素子と、励起光源及び緑色蛍光体による緑色波長帯域光を出射する発光手段と、を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の光源光学装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れか記載の光源光学装置と、
    前記光源光学装置からの出射光が照射されて投影光を生成する表示素子と、
    前記表示素子で形成されて前記光源光学装置の前記ＴＩＲプリズムを介して出射された画像光をスクリーンに投影する前記投影光学系と、
    前記表示素子や前記光源光学装置の制御を行うプロジェクタ制御手段と、
    を備えることを特徴とするプロジェクタ

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