JP6493721B2 - 光源光学装置及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロレンズアレイ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会議等においても用いられて多用されるようになっている。このようなプロジェクタでは、良好な携帯性を備えると共に明るい室内での画像投影が要求され、従来、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、高輝度の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）等の表示素子に光源光を照射するに際して、マイクロレンズアレイと照明レンズを用いて光源光を均一化することにより表示素子に照射することを本件出願人は提案している（例えば特許文献１）。

また、マイクロレンズアレイと照明レンズとを用いて光源光の均一性と光の利用率を高めるプロジェクタに関する改良提案も、行われている（例えば特許文献２）。

特開２０１３−１９０５９１号公報 特開平１０−２５４０５９号公報

前述の様に、マイクロレンズアレイを用いた光学系により光源光を表示素子に照射するプロジェクタでは、光源光学系の各要素の配置、ひいてはプロジェクタの小型化を容易とすることができる。

また、高輝度の半導体光源を用いたプロジェクタは、明るい画像の投影を可能としているが、光利用効率を高くし、明るい室内であっても、より明るく鮮明な画像の投影を行うために、光の利用効率を一層高めることが要求されている。

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、光源の光利用効率を向上させる光学系を備え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均一化するマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを透過した光を屈折させる照明光学系と、前記照明光学系からの出射光が入射するＴＩＲプリズムと、を備え、前記照明光学系は、２枚の凸レンズの間に１枚の凹レンズが配置されている３枚のレンズを含み、前記３枚のレンズの内の前記マイクロレンズアレイから最も離れたレンズは、前記照明光学系からの出射光の前記ＴＩＲプリズムの全反射面への入射角が大きくなるように光軸がシフトされていることを特徴とする。
また、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均一化するマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを透過した光を屈折させる照明光学系と、前記照明光学系からの出射光が入射する入射プリズムと、前記入射プリズムからの出射光が入射するＴＩＲプリズムと、を備え、前記照明光学系は、２枚の凸レンズの間に１枚の凹レンズが配置されている３枚のレンズを含み、前記入射プリズムは、前記照明光学系からの出射光の前記ＴＩＲプリズムの全反射面への入射角が大きくなるような向きに配置さ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た画像光をスクリーンに投影する投影光学系と、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、を有することを特徴とする。

本発明における光源光学装置は、光利用効率の高い光源光学装置とすることができ、光利用率が高く、明るい画像投影が可能な光学系を備えた小型のプロジェクタとすることができる。

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プロジェクタのマイクロレンズアレイを透過する光線の状態を示す説明図である。 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を透過する光線の共役像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によりＴＩＲプリズムを介して表示素子に光源光を入射して表示素子から出射させる状態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凸レンズ２枚によりＴＩＲプリズムを介して表示素子に光源光を入射して表示素子から出射させる状態を示す模式図である。 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を透過する光線の透過状態を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの他の実施の形態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その他の実施の形態における要部を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るプロジェクタの更に他の実施の形態における要部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によりＴＩＲプリズムを介して表示素子に光源光を入射して表示素子から出射させる状態を示す光線追跡図である。 比較例として、一般的な照明光学系である凸レンズ２枚によりＴＩＲプリズムを介して表示素子に光源光を入射して表示素子から出射させる状態を示す光線追跡図である。

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からの出射光を、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、光源ユニット６０と照明光学系１１０により光源光学装置を形成している。

そして、光源光学装置から出射される光源光を、ＴＩＲプリズム１２０を介して表示素子５１に照射し、画像光をＴＩＲプリズム１２０によりＴＩＲプリズム１２０の前方に配置される投影光学系が内装されたレンズ鏡筒１４０の入射口に入射させることとしている。

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上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と光軸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、光軸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から出射される赤色波長帯域光及び青色波長帯域光の光軸と、励起光照射装置６３から出射される青色波長帯域光及び蛍光発光装置７３から出射される緑色波長帯域光の光軸と、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。

従って、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を同一の光路に重ね合わせるようにして高輝度の光源光とし、各色の光源光を時分割により光源としての光源ユニット６０から出射し、照明光学系１１０のマイクロレンズアレイ１１１に入射することができる。

そして、ダイクロイックミラー１０１の左方には、導光手段としてのマイクロレンズアレイ１１１と３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のマイクロレンズ１１２は、レンズ形状として平面視横長矩形形状として表示素子５１と相似形状であって、各マイクロレンズ１１２は、同一大きさにして入射面と出射面を同一曲率とした両凸レンズ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、照明レンズとして３枚のレンズが配置される。３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、各マイクロレンズ１１２に入射された光は、射出して第１レンズ１１５に入射される。

尚、図４では、一列（図で上下方向）にｎ個のマイクロレンズ１１２が配置されるマイクロレンズアレイ１１１の最後（図示しない下端）であるｎ番目のマイクロレンズ１１２ｎからｍ番目であるマイクロレンズ１１２ｎ−ｍと、このｍ番目のマイクロレンズ１１２ｍを含む５個のマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋１、１１２ｎ−ｍ＋２、１１２ｎ−ｍ＋３、１１２ｎ−ｍ＋４を図示している。

このように、レンズ面の曲率や厚さを共通として同一の光学特性とされた各マイクロレンズ１１２に入射された光が射出したのち第１レンズ１１５に入射さる。

また、各マイクロレンズ１１２を両凸レンズとすることにより、各マイクロレンズ１１２で同一状態の透過光を形成する。両凸レンズの焦点は互いの面付近にあり、マイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋１の入射側セルに当たった光線群はマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋１の射出側のセル以外つまりたとえばマイクロレンズ１１２ｎ−ｍやマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋２の射出側レンズ面になるべく向かわないようにマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋１の射出側凸レンズ面光軸付近により集光されている。そして、図５、６に示すように、マイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋１の射出側凸レンズ面によりマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋１の入射側マイクロレンズセル面の共役面１１３がはるか遠くになるようになる。

そして、マイクロレンズ１１２が複数行で複数列に配置されたマイクロレンズアレイ１１１における１列のマイクロレンズ１１２において、例えば、先頭のマイクロレンズ１１２１から最後のマイクロレンズ１１２ｎまでの途中での最後からｍ番目のマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ、及び、このｍ番目から５個目までのマイクロレンズ１１２ｎ−ｍ＋４についての透過光は、図４に示したように、各マイクロレンズ１１２の入射面で屈折して第１レンズ１１５に入射され、図５に示すように、射出したのち第１レンズ１１５に入射される。

このため、マイクロレンズアレイ１１１を透過して第１レンズ１１５に入射される光線群における各入射側マイクロレンズセル面とその虚像は、図６に示すように、ほぼ等価とすることができ、１番目のマイクロレンズ１１２１による一方の稜線光Ｘ１と最後のｎ番目のマイクロレンズ１１２ｎの稜線光Ｘｎとの差は、マイクロレンズアレイ１１１における１番目のマイクロレンズ１１２１とｎ番目のマイクロレンズ１１２ｎとの実寸と同一となり、他方の稜線光における１番目のマイクロレンズ１１２１による稜線光Ｙ１とｎ番目のマイクロレンズ１１２ｎの稜線光Ｙｎとの差もマイクロレンズアレイ１１１における実寸の差と同一となり、ひいては各マイクロレンズ１１２の射出側マイクロレンズによる各入射側マイクロレンズ光軸の虚像点Ｍ１、・・、Ｍｎ−ｍ、Ｍｎ−ｍ＋１、・・、Ｍｎ−ｍ＋４、・・、Ｍｎも、各マイクロレンズ１１２の実寸大の大きさのずれに合わせたずれとなる。共役面１１３の虚像は遠くにあるのでとても大きなものとなりそのずれは無視でき、重ね合わせた虚像の明るさの分布は、各マイクロレンズの入射側セルの照射分布を拡大し重ね合わせたものとなり、ほぼ一様となる。

従って、各マイクロレンズ１１２を透過した光線群を３枚の照明レンズにより表示素子５１に照射して光源像を表示素子５１の画像形成面にこの共役面１１３において重なっている虚像を結像させたとき、効果的に均一な照度の照射光とすることができる。

このように遠くにある虚像である共役面１１３をＤＭＤに結像する形で照射するので、第１レンズ１１５、第２レンズ１１７、第３レンズ１１９で形成される組レンズによる照明光学系１１０の照明レンズとしては、まるであたかも遠くにある物を、ＤＭＤまでプリズムや鏡が設置できるだけのある程度のスペース（つまりはバックフォーカス）をとって、ＤＭＤに結像させるような構成とすればよい。

そして、投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０に一般的な投射レンズを使用する場合、ＤＭＤの位置による周辺光線と主光線のなす角の表示素子５１の位置によるばらつきを小さくするために、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲等の各収差を小さくし、各マイクロレンズ１１２の形状である矩形の像を正確に表示素子５１の画像形成面に一致させて結像させるために、歪曲を小さくする。これらを小さなスペースで簡易に実現できる照明光学系は２枚の凸レンズである第１レンズ１１５と第３レンズ１１９との間に凹レンズである第２レンズ１１７を配置する構成となる。

図７に、本発明の実施形態に係る照明光学系によりＴＩＲプリズムを介して表示素子に光源光を入射して表示素子から出射させる光線追跡図を模式的に示す。（なお、正確な光線追跡図は、後述の図１３に示す。）

図７に示すように、マイクロレンズアレイ１１１と３枚の組みレンズによる照明光学系１１０を介してＴＩＲプリズム１２０により表示素子５１に光源光を照射し、表示素子５１で画像光を形成するに際し、表示素子５１の形状と相似形状である矩形とされた各マイクロレンズ１１２の入射側セルの像が主光線と周辺光線のなす角が表示素子５１の位置によるばらつきが小さく、歪曲の少ない像として表示素子５１の画像形成面に形成することができる。

そのため、画像形成面の全体に各マイクロレンズ１１２の像を重ねるようにしつつ、後の投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０でのオン光の利用率が高く投影画像を形成し、表示素子５１の周囲に照射される無駄な光を少なくすることができる。

そして、効率よく照射された光源光による明るい画像光を形成し、この画像光をＴＩＲプリズム１２０の全反射面とされた傾斜面１２３で反射して投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０の入射口に入射させることができる。

このように、この照明光学系１１０は、第１レンズ１１５、第２レンズ１１７、更に第３レンズ１１９で光源光を屈折させてＴＩＲプリズム１２０に入射させるものである。

そして、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、この隣辺面１２７をカバーガラス５２を備えた表示素子５１に対向させるとともに、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の入射口に対向させる。

また、入射面とする傾斜面１２３は、表示素子５１からのオン光に対して全反射面を兼ねるものである。

従って、表示素子５１により画像光として形成されるオン光は、図７に示したようにＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２７から入射されて傾斜面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り、ＴＩＲプリズム１２０に入射されたオフ光は、図示していないが、傾斜面１２３で反射されてレンズ鏡筒１４０の入射口以外の方向に出射されるものである。

このように、表示素子５１から出射されるオン光の光軸をＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２７に対して垂直とすれば、全反射面である傾斜面１２３での全反射による光軸の変化角は９０度となり、ＴＩＲプリズム１２０の隣辺面１２５に対して光軸を垂直とし、隣辺面１２５で屈折することなく直進させて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、プロジェクタ１０内の各部材の配置設計を容易とすることができる。

また、この光源光学装置では、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により屈折させ、主光線と周辺光線のなす角が表示素子５１の位置によるばらつきが小さく、且つ、歪曲の少ない各マイクロレンズ１１２入射側セルの像を表示素子５１の画像形成面に結像させることができる。

この本実施の形態に対し、２枚のレンズのみを組み合わせた従来の照明光学系では、マイクロレンズアレイ１１１による光源像を表示素子５１に結像させるに際し、歪曲が生じることになり、表示素子５１の画像形成面の周囲に照射される光源光が増加し、表示素子５１への集光効率が低下することになる。

また、表示素子５１への入射光において、収差より主光線と周辺光線のなす角に関しても、位置によるばらつきが増加することになる。

図８に、比較例として、一般的な照明光学系である凸レンズ２枚によりＴＩＲプリズムを介して表示素子に光源光を入射して表示素子から出射させる光線追跡図を模式的に示す。（なお、正確な光線追跡図は、後述の図１４に示す。）

表示素子５１から出射される画像光がＴＩＲプリズム１２０の傾斜面１２３で反射されてレンズ鏡筒１４０の入射口に向かう際、各オン光の光は傾斜面１２３に入射するときに臨界角を越えないこともあり、傾斜面１２３を透過屈折する光成分が増加していた。また、ＴＩＲプリズムの隣辺面１２５から射出しても投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０に入らなかったり、入っても内蔵する吸収部品に当たったりして投影画像形成に使用されなくなる光成分が増加していた。これらの増加により投影画像が暗くなってしまっていた。

しかし、本実施の形態の照明光学系１１０は、凹レンズを第２レンズ１１７として第１レンズ１１５と第３集光レンズ１１９との間に配置することにより、表示素子５１の画像形成面にマイクロレンズ１１２の入射側形状を結像させるに際して収差や歪曲を相殺により少なくし、各マイクロミラーで反射される各オン光の主光線と周辺光線のなす角のばらつきを減少させ、傾斜面１２３で画像光が反射される際に透過屈折するなど無駄になってしまう光成分を減少させることができるため、明るい投影画像を形成することができることになる。

そして、上記のような照明レンズを組み合わせるに際し、収差等を小さくするためには、通常、組レンズの半画角を３０度以下とすることが好ましい。

このため、このマイクロレンズアレイ１１１におけるマイクロレンズ１１２は、図９に示すように、各マイクロレンズ１１２の一方の面の端部から他方の面の光軸上点までの光軸に沿った距離をｌとし、面の中心から有効当該面の端部までの最大距離をｈとし、レンズ硝材の屈折率をｎとするとき、出射側の面の中央から出射される出射光のマイクロレンズ１１２の光軸と交わる角をθ'が３０度以下となるようにしているものである。

即ち、マイクロレンズ１１２の略厚みである一方の面の端部から他方の面の光軸上点までの距離ｌとマイクロレンズ１１２の口径の大きさである距離ｈの関係において、
ｌ>ｈ√（４ｎ ² −１） （式１）
を満たすようにしている。

これは、照明光学系１１０の第１レンズ１１５に入射する光線群における光軸と交わる光線の角度は、マイクロレンズ１１２から出射する出射光における光軸と交わる角度θ'であり、この出射角θ'の最大を３０度とすると、このマイクロレンズ１１２を透過する有効光の出射面への入射角θは、入射面又は出射面の中心から端部までの距離ｈと、レンズの厚みである一方の面の中心から他方の面の端部までの光軸に沿った距離ｌとの関係において、
ｔａｎθ＝ｈ／ｌ （式２）
で表される。

また、出射面における入射角θと出射角θ'とは、レンズの硝材の屈折率をｎとすると、
ｎ・ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ' （式３）
で表されることになる。
更に、θ'は最大角が３０度あるため、
０．５>ｓｉｎθ' （式３）
となる。

従って、
０．５>ｓｉｎθ'＝ｎ・ｓｉｎθ＝ｎ・ｈ／√（ｈ²＋ｌ²） （式４）
となり、ｌとｈとの関係は（式１）で表され、レンズの厚さｌが、入射面の口径２ｈとの関係において、ｈ√（４ｎ²−１）よりも大きいとき、各マイクロレンズ１１２からの出射光における光軸からの傾きを３０度以内とすることができる。

従って、上記記載の３枚の組レンズにおいて、各種収差、歪曲を小さくして各マイクロレンズ１１２の矩形の像を表示素子５１の画像形成面に結像させることができる。

また、前述の実施形態は、ＴＩＲプリズム１２０を介して表示素子５１に光源光を照射しているも、図１０に示すように、照明光学系１１０の光軸上に照射ミラー１３５を配置し、表示素子５１をプロジェクタ１０の背面板１１３の内側において背面板１３に沿って設け、照射ミラー１３５により照明光学系１１０を介した光源光をコンデンサレンズ１３７、カバーガラス５２を通して表示素子５１に照射し、画像光とするオン光をプロジェクタ１０の正面板１２の方向に出射させるようにしてもよい。

尚、ヒートシンク５３及び冷却ファン５５を背面板１３の内側で表示素子５１の背面板１３側に設けて表示素子５１の冷却を行っている。

この場合も、マイクロレンズアレイ１１１と凸レンズ２枚の間に凹レンズを配置した３枚のレンズとによる照明光学系１１０により、各マイクロレンズ１１２の収差や歪の少ない矩形の像を重ねて表示素子５１の画像形成面に結像させることができる。

従って、マイクロレンズアレイ１１１を介した光を無駄なく表示素子５１に照射し、表示素子５１からのオン光の多くを投影光学系に入射そして射出させることができ、明るい画像を投影可能とすることができる。

そして、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、図１１に示すように、全反射面とする傾斜面１２３や隣辺面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枚プリズムとしてもよい。

この場合は、画像光の傾斜面１２３における全反射率を高くして明るい画像を形成することができる。

また、図１２に示すように、照明光学系１１０の最前方の集光レンズである第３レンズ１１９の中心を、ＴＩＲプリズム１２０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ように第３レンズ１１９の中心をシフトさせることにより、照明光学系１１０から出射される光源光の光軸を最前方のレンズにより曲げ、ＴＩＲプリズム１２０への入射角を大きくするように調整するようにしてもよい。

この場合、第３レンズ１１９の中心をシフトさせない場合に比較してＴＩＲプリズム１２０の傾斜面１２３への入射角が大きくなり、傾斜面１２３での透過屈折による角度変化を大きく、即ち屈折率の高い光学ガラスを用いてＴＩＲプリズム１２０とすることにより、傾斜面１２３を透過する際の屈折量を大きくし、ひいては臨界角を大きくして、全反射する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ができる。

尚、照明光学系１１０のレンズ枚数を、上記第１レンズ１１５、第２レンズ１１７、第３レンズ１１９の構成を含む４枚以上としてもよい。

このように、上記のような照明光学系１１０として４枚以上のレンズを用いれば、マイクロレンズアレイ１１１により均一化された光線によるマイクロレンズ１１２の入射側セルの像を、主光線と周辺光線のなす角のばらつき収差や歪曲のより一層少ない状態で、表示素子５１の画像形成面に結像させ、効率良く表示素子５１に集光することができる。

尤も、上記のような２枚の凸レンズと１枚の凹レンズの組レンズとすれば、照明光学系１１０を小型化することが容易であり、且つ、主光線と周辺光線のなす角のばらつきや歪曲の少ない組レンズ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も、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。

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、マイクロレンズアレイ１１１と照明光学系１１０とにより輝度を均一化しつつ収差や歪の小さな像として表示素子５１の画像形成面に結像させ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。

なお、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。
また、上記実施形態では、複数枚のレンズの各レンズを単レンズの図で説明したが、各レンズが張り合わされた複合的なレンズであっても一つのレンズ（ユニット）として取り扱うことのできるものであれば、本発明における各レンズと同等であることは、は言うまでもない。

＜実施例及び比較例＞
図１３に、本実施形態の図７の構成による光線追跡の正確なシミュレーション結果を示す。これは、模式的な図である図７に対応するものである。
図１４に、比較例として、図８の構成による光線追跡の正確なシミュレーション結果を示す。これは、模式的な図である図８に対応するものである。
なお、図１３及び図１４においては、図の奥行き方向（紙面に垂直な方向）の光線も紙面に重畳して示している。

図１４においては、ＴＩＲプリズムで全反射されない光が迷光として、かなり発生してしまっているが、図１３では、この迷光が少なくなっている。
また、図１４においては、ＴＩＲプリズムの隣辺面１２５から射出しても投影光学系を内蔵するレンズ鏡筒１４０に入らなかったり、入っても内蔵する吸収部品に当たったりして投影画像形成に使用されなくなる光成分が増加していたが、図１３では、そのような光成分が少なくなっている。
したがって、図７の構成が、光の利用効率が高く、明るい投影を可能にしていることがわかる。

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均一化するマイクロレンズアレイと、
このマイクロレンズアレイを透過した光を屈折させる照明光学系と、
を備え、
前記照明光学系は、２枚の凸レンズの間に１枚の凹レンズが配置されている３枚のレンズを含むことを特徴とする光源光学装置。
［２］前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、入射面の焦点及び出射面の焦点が、それぞれ前記出射面付近及び前記入射面付近にある凸レンズであることを特徴とする前記［１］に記載の光源光学装置。
［３］前記各マイクロレンズは、入射面の有効部端部から出射面の光軸上点までの光軸に沿った距離をｌとし、入射面の光軸上点から入射面の有効部端部までの最大距離をｈとし、硝材の屈折率をｎとするとき、
ｌ>ｈ√（４ｎ ² −1） （式１）
を満足することを特徴とする前記［２］に記載の光源光学装置。
［４］前記マイクロレンズアレイの前記各マイクロレンズは、表示素子の矩形と相似形状とされていることを特徴とする前記［１］乃至前記［３］の何れかに記載の光源光学装置。
［５］前記３枚のレンズの内の前記マイクロレンズアレイから最も離れたレンズは、光軸がシフトさ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［５］の何れかに記載の光源光学装置。
［７］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［５］の何れかに記載の光源光学装置。
何れかに記載の光源光学装置。
［８］前記［１］乃至前記［７］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た画像光をスクリーンに投影する投影光学系と、
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、
を有す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
１１０ 照明光学系
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
１１２a セル面
１１３ 共役面
１１５ 第１レンズ １１７ 第２レンズ
１１９ 第３レンズ
１２０ ＴＩＲプリズム
１２１ 主プリズム １２３ 傾斜面
１２５ 隣辺面 １２７ 隣辺面
１２９ 吸収板
１３０ 入射プリズム
１３５ 照射ミラー １３７ コンデンサレンズ
１４０ レンズ鏡筒 ２３５ 可動レンズ群

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を均一化するマイクロレンズアレイと、
   このマイクロレンズアレイを透過した光を屈折させる照明光学系と、
   前記照明光学系からの出射光が入射するＴＩＲプリズムと、
   を備え、
   前記照明光学系は、２枚の凸レンズの間に１枚の凹レンズが配置されている３枚のレンズを含み、
   前記３枚のレンズの内の前記マイクロレンズアレイから最も離れたレンズは、前記照明光学系からの出射光の前記ＴＩＲプリズムの全反射面への入射角が大きくなるように光軸がシフトされていることを特徴とする光源光学装置。
2. 光源と、
   前記光源から出射された光を均一化するマイクロレンズアレイと、
   このマイクロレンズアレイを透過した光を屈折させる照明光学系と、
   前記照明光学系からの出射光が入射する入射プリズムと、
   前記入射プリズムからの出射光が入射するＴＩＲプリズムと、
   を備え、
   前記照明光学系は、２枚の凸レンズの間に１枚の凹レンズが配置されている３枚のレンズを含み、
   前記入射プリズムは、前記照明光学系からの出射光の前記ＴＩＲプリズムの全反射面への入射角が大きくなるような向きに配置されていることを特徴とする光源光学装置。
3. 前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、入射面の焦点及び出射面の焦点が、それぞれ前記出射面付近及び前記入射面付近にある凸レンズである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. 前記各マイクロレンズは、入射面の有効部端部から出射面の光軸上点までの光軸に沿った距離をｌとし、入射面の光軸上点から入射面の有効部端部までの最大距離をｈとし、硝材の屈折率をｎとするとき、
   ｌ>ｈ√（４ｎ²−１） （式１）
   を満足することを特徴とする請求項３に記載の光源光学装置。
5. 前記マイクロレンズアレイの前記各マイクロレンズは、表示素子の矩形と相似形状とされていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光源光学装置。
6. 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５の何れかに記載の光源光学装置。
7. 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５の何れかに記載の光源光学装置。
8. 請求項１乃至請求項７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た画像光をスクリーンに投影する投影光学系と、
   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、
   を有することを特徴とするプロジェクタ。
   

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