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再表2016-140049プリズムユニットおよびプロジェクター
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2016年9月9日
【発行日】2017年12月28日
(54)【発明の名称】プリズムユニットおよびプロジェクター
(51)【国際特許分類】
   G03B 21/14 20060101AFI20171201BHJP
   G03B 21/00 20060101ALI20171201BHJP
   G02B 5/04 20060101ALI20171201BHJP
   H04N 5/74 20060101ALI20171201BHJP
【FI】
   G03B21/14 Z
   G03B21/00 F
   G02B5/04 A
   H04N5/74 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】23
【出願番号】特願2017-503399(P2017-503399)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2016年2月16日
(31)【優先権主張番号】特願2015-40359(P2015-40359)
(32)【優先日】2015年3月2日
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】000001270
【氏名又は名称】コニカミノルタ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】澤井 靖昌
【テーマコード(参考)】
2H042
2K203
5C058
【Fターム(参考)】
2H042CA01
2H042CA12
2H042CA17
2K203FA06
2K203FA25
2K203FA32
2K203FA34
2K203FA42
2K203GB23
2K203GB25
2K203GB30
2K203HA08
2K203HA13
2K203HA83
2K203HB19
2K203HB22
2K203HB25
2K203MA32
5C058BA35
5C058EA02
5C058EA13
(57)【要約】
このプリズムユニット(100)は、第2の光学面(S2)から出射した照明光(L10)を入射させ第2の光学面(S2)との間において第1のエアギャップ(AG1)を形成する第4の光学面(S4)、および、第4の光学面(S4)から入射した照明光(L10)を出射させる第5の光学面(S5)を含む第2のプリズム(20)を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射した照明光を反射型画像表示素子に導いて照明し、前記反射型画像表示素子で反射された投影光を外部に設けられた投影レンズへと導き出射させるプリズムユニットであって、
前記照明光を入射させる第1の光学面、前記第1の光学面から入射した前記照明光を全反射させる第2の光学面、および、前記第2の光学面で全反射した前記照明光を出射させる第3の光学面を含む第1のプリズムと、
前記第3の光学面から出射した前記照明光を前記第2の光学面で透過して出射させるよう角度差を持って反射させて前記第3の光学面に再入射させる反射手段と、
前記第2の光学面から出射した前記照明光を入射させ前記第2の光学面との間において第1のエアギャップを形成する第4の光学面、および、前記第4の光学面から入射した前記照明光を出射させる第5の光学面を含む第2のプリズムと、
前記第5の光学面から出射した前記照明光を入射させ前記第5の光学面との間において第2のエアギャップを形成する第6の光学面、前記第6の光学面から入射した前記照明光を出射させる第7の光学面、および、前記第7の光学面から出射した前記照明光が外部に設けられた反射型画像表示素子に入射し反射した前記照明光が前記第7の光学面から入射して前記第6の光学面で全反射した投影光を出射させる第8の光学面を含む第3のプリズムと、
を備える、プリズムユニット。
【請求項2】
前記反射手段は、前記第3の光学面に設けられた反射膜である、請求項1に記載のプリズムユニット。
【請求項3】
前記第3の光学面は、外側に膨らむ凸状の曲面である、請求項1または請求項2に記載のプリズムユニット。
【請求項4】
前記第1の光学面と前記第4の光学面のなす角度は、前記第1の光学面と前記第5の光学面とのなす角度よりも大きい、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のプリズムユニット。
【請求項5】
前記第1のプリズムの屈折率は、前記第3のプリズムの屈折率よりも小さい、請求項4に記載のプリズムユニット。
【請求項6】
前記照明光を生成する照明ユニットと、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の前記プリズムユニットと、
前記プリズムユニットが有する前記第7の光学面に対向配置された前記反射型画像表示素子と、
を備えるプロジェクター。
【請求項7】
前記照明光の主光線と前記第1の光学面との交点と、前記反射型画像表示素子の表面との距離をL1とし、
前記照明光の主光線と前記第6の光学面との交点と、前記反射型画像表示素子の表面との距離をL6とし、
前記反射型画像表示素子で反射された前記投影光の主光線と前記第6の光学面との交点と、前記反射型画像表示素子の表面との距離をP6とすると、|P6−L1|≦|P6−L6|の関係を具備する、請求項6に記載のプロジェクター。
【請求項8】
前記照明光を赤色、緑色、および、青色の色光に分離する色分解手段をさらに含み、
前記プリズムユニットは、赤色、緑色、および、青色の色光に対応してそれぞれ設けられ、
前記反射型画像表示素子は、赤色、緑色、および、青色の色光に対応してそれぞれ設けられ、
それぞれの前記反射型画像表示素子からの各色光の前記投影光を同一光軸にする色合成手段をさらに含み、
さらに、色合成された前記投影光を被投影対象物に投影する投影レンズをさらに含む、請求項6または請求項7に記載のプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、プリズムユニットおよびプロジェクターに関する。
【背景技術】
【0002】
プロジェクターに搭載される反射型画像表示素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイスが知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、複数の微小なマイクロミラーから成る画像表示面を有しており、その画像表示面で各ミラー面の傾きを制御して、照明光を強度変調することにより画像を形成する。
【0003】
デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型画像表示素子では、投影画像に使われないOFF光と呼ばれる不要光が発生する。たとえば、色分解合成プリズムと3枚の反射型画像表示素子を含む3チップ(多チャンネル)タイプのプロジェクターでは、色分解合成プリズムの高さを高く調整することによってOFF光の処理を行なっている。
【0004】
特開2012−247778号公報(特許文献1)には、変倍機能を有する投影レンズ及びプロジェクターに関し、大きい変倍比を達成する場合に最適な投影用ズームレンズと、それを用いたプロジェクターに関する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2012−247778号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、小型のプロジェクターが求められるようになってきている。たとえば、持ち運び可能な小型のプロジェクターにおいては、プロジェクターの厚みを薄くすることが求められており、プロジェクターに採用されるプリズムを含め光学系の小型化を図る必要がある。
【0007】
したがって、本発明は上記課題を解決することにあり、プリズムを含めた光学系の小型化を図ることが可能な構成を備えるプリズムユニットおよびプロジェクター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】
【0008】
この発明に基づいたプリズムユニットにおいては、入射した照明光を反射型画像表示素子に導いて照明し、上記反射型画像表示素子で反射された投影光を外部に設けられた投影レンズへと導き出射させるプリズムユニットであって、上記照明光を入射させる第1の光学面、上記第1の光学面から入射した上記照明光を全反射させる第2の光学面、および、上記第2の光学面で全反射した上記照明光を出射させる第3の光学面を含む第1のプリズムと、上記第3の光学面から出射した上記照明光を上記第2の光学面で透過して出射させるよう角度差を持って反射させて上記第3の光学面に再入射させる反射手段と、上記第2の光学面から出射した上記照明光を入射させ上記第2の光学面との間において第1のエアギャップを形成する第4の光学面、および、上記第4の光学面から入射した上記照明光を出射させる第5の光学面を含む第2のプリズムと、上記第5の光学面から出射した上記照明光を入射させ上記第5の光学面との間において第2のエアギャップを形成する第6の光学面、上記第6の光学面から入射した上記照明光を出射させる第7の光学面、および、上記第7の光学面から出射した上記照明光が外部に設けられた反射型画像表示素子に入射し反射した上記照明光が上記第7の光学面から入射して上記第6の光学面で全反射した投影光を出射させる第8の光学面を含む第3のプリズムと、を備える。
【0009】
他の形態においては、上記反射手段は、上記第3の光学面に設けられた反射膜である。
他の形態においては、上記第3の光学面は、外側に膨らむ凸状の曲面である。
【0010】
他の形態においては、上記第1の光学面と上記第4の光学面のなす角度は、上記第1の光学面と上記第5の光学面とのなす角度よりも大きい。
【0011】
他の形態においては、上記第1のプリズムの屈折率は、上記第3のプリズムの屈折率よりも小さい。
【0012】
この発明に基づいたプロジェクターにおいては、上記照明光を生成する照明ユニットと、上述のいずれかに記載の上記プリズムユニットと、上記プリズムユニットが有する上記第7の光学面に対向配置された上記反射型画像表示素子と、を備える。
【0013】
他の形態においては、上記照明光の主光線と上記第1の光学面との交点と、上記反射型画像表示素子の表面との距離をL1とし、上記照明光の主光線と上記第6の光学面との交点と、上記反射型画像表示素子の表面との距離をL6とし、上記反射型画像表示素子で反射された上記投影光の主光線と上記第6の光学面との交点と、上記反射型画像表示素子の表面との距離をP6とすると、|P6−L1|≦|P6−L6|の関係を具備する。
【0014】
他の形態においては、上記照明光を赤色、緑色、および、青色の色光に分離する色分解手段をさらに含み、上記プリズムユニットは、赤色、緑色、および、青色の色光に対応してそれぞれ設けられ、上記反射型画像表示素子は、赤色、緑色、および、青色の色光に対応してそれぞれ設けられ、それぞれの上記反射型画像表示素子からの各色光の上記投影光を同一光軸にする色合成手段をさらに含み、さらに、色合成された上記投影光を被投影対象物に投影する投影レンズをさらに含む。
【発明の効果】
【0015】
この発明によれば、プリズムを含めた光学系の小型化を図ることが可能な構成を備えるプリズムユニットおよびプロジェクターを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】反射型画像表示素子のON状態の時の側面から見た場合の照明光と投影光との状態を示す模式図である。
図2】反射型画像表示素子のON状態の時の正面から見た場合の照明光と投影光との状態を示す模式図である。
図3】実施の形態の用いられる反射型画像表示素子のOFF状態の時の上面から見た場合の照明光と投影光との状態を示す模式図である。
図4】実施の形態の用いられる反射型画像表示素子のOFF状態の時の正面から見た場合の照明光と投影光との状態を示す模式図である。
図5】従来のプリズムユニットの構成を示す第1図である。
図6】従来のプリズムユニットの構成を示す第2図である。
図7】実施の形態1におけるプリズムユニットを含むプロジェクターの全体構成を示す側面図である。
図8】実施の形態1におけるプリズムユニットを含むプロジェクターの全体構成を示す上面図である。
図9】実施の形態1におけるプリズムユニットの構成を示す側面図である。
図10】実施の形態2におけるプリズムユニットの構成を示す側面図である。
図11】実施の形態3におけるプリズムユニットの構成を示す側面図である。
図12】実施の形態4におけるプリズムユニットの構成を示す側面図である。
図13】実施の形態5におけるプリズムユニットの構成を示す側面図である。
図14】実施の形態6におけるプリズムユニットの構成を示す側面図である。
図15】実施の形態7におけるプロジェクターの全体構成を示す側面図である。
図16】実施の形態8におけるプロジェクターの全体構成を示す側面図である。
図17】実施の形態9におけるプロジェクターの全体構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
この発明に基づいた実施の形態におけるプリズムユニットおよびプロジェクターについて、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、以下の各図に示す照明光および投影光は、主光線を図示している。
【0018】
また、プリズムとは、一般的には、光を分散、屈折、全反射、複屈折させるため、周囲の空間とは屈折率の異なるガラスなどの透明な媒質用いた多面体を意味するものである。しかし、以下の説明においては、このようなプリズムとしての性質を有しない多面体であっても、プリズムとしての性質を有する多面体と組み合わせて用いられることにより、プリズムユニット全体としてみればプリズムの機能を有することとなる場合には、プリズムとしての性質を有しない多面体であっても、プリズムと呼ぶものとする。また、以下の説明における光学面の角度は、特に説明がない限りは、基板2の法線に対する傾斜角度を意味するものとする。
【0019】
(反射型画像表示素子)
図1から図4を参照して、以下の各実施の形態に用いられる反射型画像表示素子1の動作について説明する。図1および図2は、反射型画像表示素子1のON状態の時の側面および正面から見た場合の照明光と投影光との状態を示す模式図、図3および図4は、反射型画像表示素子1のOFF状態の時の上面および正面から見た場合の照明光と投影光との状態を示す模式図である。図中、照明光をL1、投影光をL2で示す。
【0020】
図1および図2を参照して、反射型画像表示素子1は、たとえば、16:10のアスペクト比の横長の長方形の表示領域を有し、各画素は、基板1a上に設けられた複数の微小ミラー1bで構成されている。反射型画像表示素子1がON状態(白表示)の時は、微小ミラー1bのミラー法線は、表示領域の長辺側に傾斜しており、照明光L1は斜め下から入射し、反射型画像表示素子1で反射された投影光L2は表示面に垂直に進行して、投影レンズに入射することになる。
【0021】
図3および図4を参照して、反射型画像表示素子1がOFF状態(黒表示)の時は、ミラー法線は、表示領域の短辺側に傾斜しており、画素で反射された照明光L1は、OFF光L3として斜め左上の方向に進行して、投影レンズには入射しない。
【0022】
(従来のプリズムユニット500,600)
ここで、図5および図6を参照して、従来のプリズムユニットの構成について説明する。図5および図6は、従来のプリズムユニットの構成を示す第1図および第2図である。
【0023】
図5を参照して、従来のプリズムユニット500について説明する。このプリズムユニット500は、入射した照明光L10を基板2上に設けられた反射型画像表示素子1に導いて照明し、反射型画像表示素子1で反射された投影光L20を外部に設けられた投影レンズ106(図7参照)へと導き出射させるものである。
【0024】
プリズムユニット500は、第1のプリズム10と第3のプリズム30とを有する。第1のプリズム10および第3のプリズム30は、紙面垂直方向に延びる柱形状を有する多面体である。第1のプリズム10は、照明光L10を入射させる第1の光学面S1、第1の光学面S1から入射した照明光L10を全反射させる第2の光学面S2、および、第2の光学面S2で全反射した照明光L10を出射させる第3の光学面S3を含む。第3の光学面S3には、反射膜13が設けられている。反射膜13は、第3の光学面S3から出射した照明光L10を第2の光学面S2で透過して出射させるよう角度差を持って反射させて第3の光学面S3に再入射させる機能を有している。
【0025】
第3のプリズム30は、第2の光学面S2から出射した照明光L10を入射させ第2の光学面S2との間においてエアギャップAGを形成する第6の光学面S6、第6の光学面S6から入射した照明光L10を出射させる第7の光学面S7、および、第7の光学面S7から出射した照明光L10が外部に設けられた反射型画像表示素子1に入射し反射した照明光L10が第7の光学面S7から入射して第6の光学面S6で全反射した投影光L20を出射させる第8の光学面S8を含む。
【0026】
このように、プリズムユニット500は、第1のプリズム10および第3のプリズム30の二つのプリズムから構成されている。ここで、照明光L10の主光線と第1の光学面S1との交点と、反射型画像表示素子1の表面との距離をL1とし、照明光L10の主光線と第6の光学面S6との交点と、反射型画像表示素子1の表面との距離をL6とし、反射型画像表示素子1で反射された投影光L20の主光線と第6の光学面S6との交点と、反射型画像表示素子1の表面との距離をP6とする。
【0027】
このプリズムユニット500では、第1のプリズム10の先端部が反射型画像表示素子1側に大きく位置することから、プリズムユニットや他の光学部材と反射型画像表示素子1や基板2との干渉を避ける設計が必要になる。
【0028】
図6を参照して、プリズムユニット600は、上記プリズムユニット500と基本的構成は同じであるが、第1のプリズム10の先端部が、第3のプリズム30の先端部と略同じ位置となるようにしている。この構成であっても、投影光L20の主光線が基板2から離れる結果、第3のプリズム30の大型化を招く結果となる。
【0029】
(実施の形態1:プロジェクター1000、プリズムユニット100)
次に、図7から図9を参照して、本実施の形態におけるプロジェクター1000およびプリズムユニット100について説明する。図7および図8は、プリズムユニット100を含むプロジェクター1000の全体構成を示す側面図および上面図、図9は、プリズムユニット100の構成を示す側面図である。
【0030】
図7および図8を参照して、プロジェクター1000は、光源101、ランプリフレクタ102、カラーホィール103、ロッドインテグレータ104、リレー光学手段105、プリズムユニット100、投影レンズ106、および、基板2上に設けられた反射型画像表示素子1を含む。
【0031】
光源101には、白色光を発する放電ランプが用いられる。ランプリフレクタ102は楕円面からなり、その焦点位置に光源101が置かれているため、光源からの光束は収束光で出射する。
【0032】
光源101からの照明光L10は、カラーホィール103に入射する。カラーホィール103は、R(赤色)、G(緑色)、B(青色)を透過させるカラーフィルターで構成されている。カラーホィール103を回転させることにより、照明光L10の色光が時間的に順次切り替り、各色に対応した画像情報を反射型画像表示素子1に表示する。これにより、投影画像のカラー化を可能とする。
【0033】
カラーホィール103を通過した照明光L10は、ガラスからなり、断面が長方形の細長い四角柱の形状をしたロッドインテグレータ104に入射する。ロッドインテグレータ104の入射面から入射した照明光L10は、壁面で全反射を繰り返してミキシングされ、出射面では均質なエネルギー分布となる。
【0034】
ロッドインテグレータ104の後方には、リレー光学手段105、プリズムユニット100、反射型画像表示素子1が配設され、ロッドインテグレータ104から出た光は、リレー光学手段105、プリズムユニット100を経て、反射型画像表示素子1を照明する。
【0035】
リレー光学手段105は、プリズムユニット100と共に、ロッドインテグレータ104の出射面の像を反射型画像表示素子1の表示面に投影させるための均一照明を形成する。すなわち、ロッドインテグレータ104の出射面は反射型画像表示素子1の表示面と共役で、ロッドインテグレータ104の出射面の形状を反射型画像表示素子1の表示領域と略相似形にすることにより、効率よく照明できる。
【0036】
プリズムユニット100に入射した照明光L10は、反射型画像表示素子1へと導かれて照明し、反射型画像表示素子1で反射されて再びプリズムユニット100に入射し、投影レンズ106に導かれ、スクリーンに画像が表示される。
【0037】
照明された反射型画像表示素子1からの反射光のうち、ON状態の反射型画像表示素子1からのON光は投影レンズ106に入射しスクリーンに投影される。OFF状態の反射型画像表示素子1のOFF光は投影レンズ106に入射しないので、スクリーンには画像は投影されない。
【0038】
(プリズムユニット100)
次に、図9を参照して、プリズムユニット100の具体的構成について説明する。プリズムユニット100は、入射した照明光L10を反射型画像表示素子1に導いて照明し、反射型画像表示素子1で反射された投影光L20を外部に設けられた投影レンズへと導き出射させるプリズムユニットである。
【0039】
プリズムユニット100は、第1のプリズム10と、反射手段13と、第2のプリズム20と、第3のプリズム30と、第4のプリズム40とを含む。第1のプリズム10、第2のプリズム20、第3のプリズム30、および、第4のプリズム40は、紙面垂直方向に延びる柱形状を有する多面体である。
【0040】
第1のプリズム10は、照明光L10を入射させる第1の光学面S1、第1の光学面S1から入射した照明光L10を全反射させる第2の光学面S2、および、第2の光学面S2で全反射した照明光L10を出射させる第3の光学面S3を含む。第1のプリズム10には、屈折率が約1.52のBK7などの硝材が用いられている。
【0041】
第3の光学面S3は、外側に膨らむ凸状の曲面である。第3の光学面S3には、反射手段13として反射膜が設けられている。反射手段13は、第3の光学面S3から出射した照明光L10を第2の光学面S2で透過して出射させるよう角度差を持って反射させて第3の光学面S3に再入射させる機能を有している。
【0042】
第3の光学面S3を外側に膨らむ凸状の曲面とすることで、第1の光学面S1を透過する照明光束の断面を小さくでき、プリズムユニットや照明系をコンパクトにすることができる。また、反射手段13として反射膜を用いることで、プリズムユニットに要する部品点数の削減を図ることができる。また、プリズムユニットの高さを低くすることもできる。
【0043】
第2のプリズム20は、第2の光学面S2から出射した照明光L10を入射させ第2の光学面S2との間において第1のエアギャップAG1を形成する第4の光学面S4、および、第4の光学面S4から入射した照明光L10を出射させる第5の光学面S5を含む。第2のプリズム20には、屈折率が約1.52のBK7などの硝材が用いられている。
【0044】
第3のプリズム30は、第5の光学面S5から出射した照明光L10を入射させ第5の光学面S5との間において第2のエアギャップAG2を形成する第6の光学面S6、第6の光学面S6から入射した照明光L10を出射させる第7の光学面S7、および、第7の光学面S7から出射した照明光L10が外部に設けられた反射型画像表示素子1に入射し反射した照明光L10が第7の光学面S7から入射して第6の光学面S6で全反射した投影光L20を出射させる第8の光学面S8を含む。第3のプリズム30には、屈折率が1.72前後の、Schoot AG製のN−KZFS8、N−LAK8、N−LAF35などの硝材が用いられている。
【0045】
第4のプリズム40は、第8の光学面S8から出射した投影光L20を入射させ第8の光学面S8との間において第3のエアギャップAG3を形成する第9の光学面S9、第9の光学面S9から入射した投影光L20を出射する第10の光学面S10を含む。第4のプリズム40には、第3のプリズム30と同じ硝材が用いられている。
【0046】
リレー光学手段105からの照明光L10は、第1のプリズム10の第1の光学面S1から入射したのち、第1のエアギャップAG1に面した第2の光学面S2に基準入射角50°で入射して全反射し、第3の光学面S3へ向かう。
【0047】
第3の光学面S3はプリズム内部から見ると凹面の反射面で、照明光L10はここで略テレセントリックな光束状態として反射される。第3の光学面S3で反射された照明光L10は、第2の光学面S2に全反射を起こさない基準入射角24.8°で入射して透過し、第4の光学面S4から第2のプリズム20に入射する。
【0048】
第2のプリズム20に入射した照明光L10は、第2のエアギャップAG2に面した第5の光学面S5に全反射を起こさない基準入射角29.8°で入射して透過し、第2のエアギャップAG2を介して第6の光学面S6から第3のプリズム30へ入射する。
【0049】
第3のプリズム30に入射した照明光L10は、第7の光学面S7から出射し、反射型画像表示素子1を照明する。反射型画像表示素子1でON状態で反射された照明光L10は、投影光として第7の光学面S7から再び第3のプリズム30に入射する。
【0050】
第7の光学面S7から入射した投影光L20は、第2のエアギャップAG2に面した第6の光学面S6に基準入射角45°で入射して全反射し、第8の光学面S8に向かう。第6の光学面S6で全反射した投影光L20は、第3のエアギャップAG3に面した第8の光学面S8に基準入射角25.5°で入射して透過し、第3のエアギャップAG3を介して第9の光学面S9から第4のプリズム40へ入射する。第9の光学面S9から第4のプリズム40に入射した投影光L20は、第10の光学面S10から出射して、投影レンズ106へ入射しスクリーンに投影される。
【0051】
反射型画像表示素子1でOFF状態で反射された照明光は、OFF光L3として第7の光学面S7から再び第3のプリズム30に入射する。第7の光学面S7から入射したOFF光L3は、第2のエアギャップAG2に面した第6の光学面S6で全反射し、第8の光学面S8に向かう。第6の光学面S6で全反射したOFF光L3は、第3のエアギャップAG3に面した第8の光学面S8に基準入射角47.2°で入射して全反射し、投影光とは完全に分離される。
【0052】
このためOFF光L3は、投影レンズ106に入射しないので、投影レンズ内で迷光となることなくコントラストの低下を招かない。さらに、OFF光L3は、投影レンズ106に入射しないので、投影レンズ106の鏡胴などにあたることによる温度上昇などの不具合も防止できる。
【0053】
また、図9において、照明光L10の主光線と第1の光学面S1との交点と、反射型画像表示素子1の表面との距離をL1とし、照明光L10の主光線と第6の光学面S6との交点と、反射型画像表示素子1の表面との距離をL6とし、反射型画像表示素子1で反射された投影光L20の主光線と第6の光学面S6との交点と、反射型画像表示素子1の表面との距離をP6とする。
【0054】
ここで、図5に示した従来のプリズムユニット500、および、図6に示したプリズムユニット600においては、本実施の形態に示すような、第2のプリズム20は設けられていない。この場合には、第2の光学面S2において第1のプリズム10の入射する照明光が全反射し、出射する照明光が全反射しないという条件を満たすとL1は、L6より小さくなる。
【0055】
また、プリズムユニット500、および、プリズムユニット600においては、投影光L20と照明光L10の差|P6−L1|は、|P6−L6|よりも大きくなる。また、プリズムユニット500の構成の場合、照明光L10は反射型画像表示素子1に近づき、第1のプリズム10が反射型画像表示素子1に近づき、基板2と第1のプリズム10およびリレー光学手段105とが干渉する課題が生じていた。プリズムユニット600においては、照明光L10を基板2から離した分、投影光L20も基板2から離れ第3のプリズム30が大きくなる課題が生じていた。
【0056】
しかし、本実施の形態の場合には、第2のプリズム20を設けることにより、|P6−L1|≦|P6−L6|の関係を具備させることが可能となる。その結果、照明光L10と投影光L20の光軸高さの差異によるプリズムユニット高さの増加を抑え、プリズムを含めた光学系の小型化を図ることを可能としている。
【0057】
また、第2のプリズム20で照明光が反射する全反射面と投影光が反射する全反射面とを離間させることができ、投影光軸と照明光軸の高さを近づけ、または、揃えることができる。さらに、反射型画像表示素子1やその駆動用の基板2をプリズムや照明系と干渉なく配置することを可能とする。
【0058】
このように第2のプリズムを設けることで、基板2の配置も容易となり、さらに、第3のプリズム30の大型化を防止することができる。その結果、軽量、安価なプリズムユニット100の製造が可能となり、これにより、軽量、安価、薄くコンパクトなプロジェクターを製造することも可能となる。
【0059】
また、図9を参照して、第1の光学面S1と第4の光学面S4のなす角度をA4、第1の光学面S1と第5の光学面S5のなす角度をA5とする。第2のプリズム20が設けられていない、図5に示すプリズムユニット500の場合には、A4およびA5に相当する角度は45°で、照明光L10は、基準入射角45度で入射するとともに、これを全反射させる必要がある。
【0060】
しかし、本実施の形態のプリズムユニット100の場合、投影光軸の反射角A5=45°を保持したまま、A4=50°としており、そうすることで第2の光学面S2とリレー光学系光軸(照明光L10)のなす角を45°ではなく50°と大きくなるように設定できる。
【0061】
このように、第2のプリズム20をくさび状にすることで、第3の光学面S3で反射された照明光が第2の光学面S2および第4の光学面S40を透過するときの入射角が小さくなり透過効率がよくなる。また、第1の光学面S1から入射した照明光が第2の光学面S2で反射するときの入射角が大きくなって全反射しやすくなり、照明光学系の設計自由度、第1のプリズム10、第2のプリズム20の硝材選択自由度が向上する。
【0062】
たとえば、BK7などの屈折率が低めの硝材を用いても十分に全反射をさせることを可能としている。これにより、BK7などの屈折率が低めの硝材は、青色領域の透過率低下が少なく、透過率が高めで、比重も小さく、低価格であり、第2の光学面S2への入射角度を比較的大きくすることで、光利用効率がよくなる。
【0063】
さらに、第3の光学面S3から第2の光学面S2へ入射する照明光L10の入射角もA4=A5=45°の場合は29.8°になるのに対し、本実施の形態のように、A4>A5=50°とすることで24.8°と小さくなるので、界面での反射率を低減でき、透過効率がよくなる効果が得られる。
【0064】
また、第1のプリズム10の屈折率N1は、第3のプリズム30の屈折率N3よりも小さくてもよい。第3のプリズム30に高屈折率の硝材を使用することで、第3のプリズム30の第6の光学面S6を反射型画像表示素子1の画像表示面に対し45°となるように構成でき、反射型画像表示素子1およびその基板2を投影光の光軸に平行に配置でき、プロジェクターの高さを抑えることができる。
【0065】
また、高屈折率材料は、特に青色領域の透過率が低い傾向にあるが、第1のプリズム10や第2のプリズム20に低い屈折率であるが透過率の良いBK7などの硝材を使用することで、透過率の低下、特に青色領域の透過率の低下を抑えることができる。また、BK7は比較的軽量で、低価格であり、プリズムユニットの軽量化、低価格化にも貢献できる。
【0066】
(実施の形態2:プリズムユニット100A)
次に、図10を参照して、本実施の形態におけるプリズムユニット100Aについて説明する。図10は、プリズムユニット100Aの構成を示す側面図である。上記したプリズムユニット100との相違点は、第2のプリズム21が平行平板で構成している点と、第1の光学面S1が照明光L10の光軸に対して垂直で無い点にある。その他の構成は、上記実施の形態1のプリズムユニット100と同じである。よって、重複する説明は繰り返さない。
【0067】
このように、第2のプリズム21に、平行平板のプリズムを用いた場合であっても、上記実施の形態1の場合と同様の作用効果を得ることができる。さらに、第2のプリズム21に、平行平板のプリズムを用いた場合、第2のプリズム21の製造に要するコストを下げる効果が得られる。第1の光学面S1は、第1の光学面S1から入射した照明光L10の第2の光学面S2への入射角を大きくする方向に傾斜させており、第1の光学面S1から入射した照明光L10の第2の光学面S2への基準入射角は45°より大きくなり、より確実に全反射させる効果が得られる。
【0068】
(実施の形態3:プリズムユニット100B)
次に、図11を参照して、本実施の形態におけるプリズムユニット100Bについて説明する。図11は、プリズムユニット100Bの構成を示す側面図である。上記したプリズムユニット100との相違点は、第2のプリズム22の第4の光学面S4の傾斜をより大きくし傾斜させている点、第1の光学面S1がプリズムユニット100Aの場合と比べて、反対方向に傾斜している点、つまり、第1の光学面S1の上側の方が下側よりも第2のプリズム20側に位置している。
【0069】
このような構成においても、上記実施の形態1の場合と同様の作用効果を得ることができる。また、第4の光学面S4は、照明光L10の光軸に対し55°と大きいので、第1の光学面S1から入射した照明光L10の第2の光学面S2への入射角が小さくなる方向に第1の光学面S1を傾斜させても十分全反射のための条件を満たすことができる。さらに、第3の光学面S3から第2の光学面S2に入射する照明光L10は、第2の光学面S2の基準入射角約20°と小さな入射角となるので反射ロスを少なく透過させることを可能とする。
【0070】
さらに、第2の光学面S2で反射された照明光L10に沿うように、すなわち有効光路領域に沿うように第1の光学面S1が形成されているので、第1のプリズム10で光路が存在しない無駄な領域、体積部分が少なく、プリズムの軽量化の効果を得ることもできる。
【0071】
(実施の形態4:プリズムユニット100C)
次に、図12を参照して、本実施の形態におけるプリズムユニット100Cについて説明する。図12は、プリズムユニット100Cの構成を示す側面図である。上記したプリズムユニット100との相違点は、第1のプリズム10Aが、プリズム11とレンズ12との接合体から構成されている点にある。その他の構成は、上記実施の形態1のプリズムユニット100と同じである。よって、重複する説明は繰り返さない。
【0072】
このような構成においても、上記実施の形態1の場合と同様の作用効果を得ることができる。また、第1のプリズム10Aを、平面を有するプリズムと曲面を有するレンズとの別部材の構成とすることで、第1のプリズム10Aの製造コストの低減を図ることが可能となる。
【0073】
(実施の形態5:プリズムユニット100D)
次に、図13を参照して、本実施の形態におけるプリズムユニット100Dについて説明する。図13は、プリズムユニット100Dの構成を示す側面図である。上記したプリズムユニット100との相違点は、OFF光をカットするための第4のプリズム40が、第3のプリズム30の投影レンズ側ではなく、反射型画像表示素子1側に設けられている点、プリズムユニットの反射手段13が第1のプリズム11の第3の光学面S3に設けられた反射コートではなく、第3の光学面S3に対向した凹面ミラー14である点にある。その他の構成は、上記実施の形態1のプリズムユニット100と同じである。よって、重複する説明は繰り返さない。
【0074】
このような構成においても、上記実施の形態1の場合と同様の作用効果を得ることができる。また、第4のプリズム40を第3のプリズム30の反射型画像表示素子1側に設けることで、投影光L20の光軸と反射型画像表示素子1との距離P6は大きくなるものの、プリズムユニット100Dの体積を小さくすることを可能としている。さらに、プリズムユニット100Dの反射手段となる凹面ミラー14を第1のプリズム11と別体とすることで、反射手段としての凹面ミラー14を、反射型画像表示素子1を照明する領域調整に使用することを可能とする。
【0075】
(実施の形態6:プリズムユニット100E)
次に、図14を参照して、本実施の形態におけるプリズムユニット100Eについて説明する。図14は、プリズムユニット100Eの構成を示す側面図である。プリズムユニット100Eに用いられる第1のプリズム10Cは、上記した実施の形態4のプリズムユニット100Cに示す第1のプリズム10Aとは、プリズム11とレンズ12との接合体が用いられている点は同じである。しかし、プリズムユニットの反射手段13がレンズ12に設けられた反射コートではなく、レンズ12の曲面に対向した平面ミラー15が用いられている点が異なる。その他の構成は、上記実施の形態1のプリズムユニット100と同じである。よって、重複する説明は繰り返さない。このような構成においても、上記実施の形態4の場合と同様の作用効果を得ることができる。
【0076】
(実施の形態7:プロジェクター2000)
次に、図15を参照して、赤色用、緑色用、青色用の3つの反射型画像表示素子を用いた3板式のプロジェクター2000について説明する。本実施の形態では、プリズムユニットとしては、実施の形態1で説明したプリズムユニット100を用いる場合について説明する。
【0077】
プロジェクター2000において、光源101には、白色光を発する放電ランプが用いられ、ランプリフレクタ102は放物面からなり、その焦点位置に光源101が置かれているため、光源からの光束は略平行光で出射する。
【0078】
光源101からの平行光束(照明光L10)は、第1レンズアレイ201、第2レンズアレイ202、重ね合せレンズ203を経て、色分解系で赤色、緑色、青色に分解され、それぞれプリズムユニットに入射し、反射型画像表示素子1(1R,1G,1B)を照明する。それぞれプリズムユニット100での作用は、実施の形態1と同様で、入射した照明光L10と略同じ光軸高さで、投影光L20を出射している。
【0079】
第1レンズアレイ201と第2レンズアレイ202とで、インテグレータ光学系を構成し、第1レンズアレイ201は、反射型画像表示素子1の表示部と略相似な形状のレンズセルで多数の光束に分割し、第2レンズアレイ202の対応するレンズセルに集光させている。
【0080】
第2レンズアレイ202の各レンズセルは、対応する第1レンズアレイ201のレンズセルの像を反射型画像表示素子1の面に形成し、重ね合せレンズ203で各レンズセルの像を反射型画像表示素子1上で重ね合せており、こうすることで反射型画像表示素子1の面上での照度分布の均一化を実現している。
【0081】
色分解系は、ダイクロミラー204R,204Bと、折り返しミラー207,209,210と、リレーレンズ206,208とで構成され、照明光L10を赤色、緑色、青色の三原色に分けて、対応する反射型画像表示素子1(1G,1B,1R)へと導いている。
【0082】
照明光L10は、赤色透過のダイクロミラー204Rで緑色および青色を反射し、赤色を透過し、透過した赤色の照明光LRは折り返しミラー209、および、プリズムユニット100を経て赤色用反射型画像表示素子1Rを照明する。
【0083】
青色透過のダイクロミラー204Bでは、青色を透過し、緑色を反射し、反射した緑色の照明光LGは、プリズムユニット100を経て緑色用反射型画像表示素子1Gを照明する。
【0084】
青色の照明光LBは、青色用反射型画像表示素子1Bまでの光路長が異なるために、他の赤色、緑色と等価的な条件になるように、等倍系のリレー光学系(リレーレンズ206,208)を配置し、青色用反射型画像表示素子1Bを照明している。
【0085】
赤色用反射型画像表示素子1R、緑色用反射型画像表示素子1G、および、青色用反射型画像表示素子1Bの各反射型画像表示素子からの投影光は、プリズムユニット100を経て、クロスダイクロプリズム300に入射する。赤色用反射型画像表示素子1Rからの投影光は、クロスダイクロプリズム300の赤色反射面SRで反射され、青色反射面は透過する。緑色用反射型画像表示素子1Gからの投影光は、クロスダイクロプリズム300の赤色反射面SRおよび青色反射面SBとも透過する。青色用反射型画像表示素子1Bからの投影光は、クロスダイクロプリズム300の青色反射面SBで反射され、赤色反射面は透過する。
【0086】
このようにして、クロスダイクロプリズム300は、1本の投影レンズ106でスクリーンに投影できるように、赤色用反射型画像表示素子1R、緑色用反射型画像表示素子1G、および、青色用反射型画像表示素子1Bの各反射型画像表示素子から出射光を同軸に合成している。色合成された投影光L20は、投影レンズ106によりスクリーンに投影される。
【0087】
本実施の形態におけるプロジェクター2000は、プリズムユニット100を各色光ごとに用い、色合成系と色分解系とを別々に設けることで、3板式の本実施の形態におけるプロジェクター2000においても、プロジェクター2000としての高さを低く抑えることを可能としている。
【0088】
(実施の形態8:プロジェクター3000)
次に、図16を参照して、赤色用、緑色用、青色用の3つの反射型画像表示素子を用いた3板式のプロジェクター3000について説明する。上述のプロジェクター2000とは、色合成系の構成が異なる、光源101から重ね合わせレンズ203までの構成は同じであるため、重複する説明は繰り返さない。
【0089】
色分解系において、最初の青色透過ダイクロミラー204Bで赤色と緑色とを反射し、青色を透過して、透過した青色の照明光LBは折り返しミラー209、および、プリズムユニット100を経て青色用反射型画像表示素子1Bを照明する。
【0090】
緑色透過ダイクロミラー204Gで、緑色を透過し、赤色を反射して、反射した赤色の照明光LRは、プリズムユニット100を経て赤色用反射型画像表示素子1Rを照明する。
【0091】
緑色の照明光LGは、緑色用反射型画像表示素子1Gまでの光路長が異なるために、他の青色、赤色と等価的な条件になるように、等倍系のリレー光学系(リレーレンズ206,208、折り返しミラー207,210)を配置し、緑色用反射型画像表示素子1Gを照明している。
【0092】
青色用反射型画像表示素子1B、赤色用反射型画像表示素子1R、および、緑色用反射型画像表示素子1Gの各反射型画像表示素子からの投影光は、各プリズムユニット100を経て、色合成プリズム400に入射する。青色用反射型画像表示素子1Bからの投影光は、色合成プリズム400の青色反射面SBで反射され、緑色反射面SGは透過する。赤色用反射型画像表示素子1Rからの投影光は、色合成プリズム400の青色反射面SBおよび緑色反射面SGとも透過する。緑色用反射型画像表示素子1Gからの投影光は、色合成プリズム400内で全反射したのち緑色反射面SGで反射される。
【0093】
このようにして、色合成プリズム400は、1本の投影レンズ106でスクリーンに投影できるように、青色用反射型画像表示素子1B、赤色用反射型画像表示素子1R、および、緑色用反射型画像表示素子1Gの各反射型画像表示素子から出射光を同軸に合成している。色合成された投影光L20は、投影レンズ106によりスクリーンに投影される。
【0094】
(実施の形態9:プロジェクター4000)
次に、図17を参照して、赤色用、緑色用、青色用の3つの反射型画像表示素子を用いた3板式のプロジェクター4000について説明する。上述のプロジェクター2000とは、色合成系の構成が異なる、光源101から重ね合わせレンズ203までの構成は同じであるため、重複する説明は繰り返さない。
【0095】
色分解系において、最初の赤色反射ダイクロミラー454Rで赤色を反射し、青色と緑色とを透過し、反射した赤色の照明光LRは折り返しミラー459、および、プリズムユニット100を経て赤色用反射型画像表示素子1Rを照明する。
【0096】
青色透過ダイクロミラー454Bで、青色を透過し、緑色を反射して、反射した緑色の照明光LGは、プリズムユニット100を経て緑色用反射型画像表示素子1Gを照明する。
【0097】
青色の照明光LBは、青色用反射型画像表示素子1Bまでの光路長が異なるために、他の赤色、緑色と等価的な条件になるように、等倍系のリレー光学系(リレーレンズ456,458、折り返しミラー460,461)を配置し、青色用反射型画像表示素子1Bを照明している。
【0098】
赤色用反射型画像表示素子1R、緑色用反射型画像表示素子1G、および、青色用反射型画像表示素子1Bの各反射型画像表示素子からの投影光は、各プリズムユニットを経て、色合成プリズム450に入射する。赤色用反射型画像表示素子1Rからの投影光は、色合成プリズムのエアギャップ面AGで全反射されたのち、赤色反射面SRで反射され、青色反射面SBは透過する。緑色用反射型画像表示素子1Gからの投影光は、色合成プリズム400の赤色反射面SRおよび青色反射面BRとも透過する。青色用反射型画像表示素子1Bからの投影光は、色合成プリズム450内で全反射したのち青色反射面SBで反射される。
【0099】
このようにして、色合成プリズム450は、1本の投影レンズ106でスクリーンに投影できるように、赤色用反射型画像表示素子1R、緑色用反射型画像表示素子1G、および、青色用反射型画像表示素子1Bの各反射型画像表示素子から出射光を同軸に合成している。色合成された投影光L20は、投影レンズ106によりスクリーンに投影される。
【0100】
なお、上述のプロジェクター2000、3000,4000において、プリズムユニットとしては、実施の形態1で説明したプリズムユニット100を用いる場合について説明したが、プリズムユニット100に限定されず、上述したプリズムユニット100A,100B,100C,100D,100Eに置き換えてもよい。
【0101】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0102】
1 反射型画像表示素子、1B 青色用反射型画像表示素子、1G 緑色用反射型画像表示素子、1R 赤色用反射型画像表示素子、2 基板、1a,1b 微小ミラー、10,10A,10C 第1のプリズム、11 プリズム、12 レンズ、13 反射手段(反射膜)、14 凹面ミラー、15 平面ミラー、20,21,22 第2のプリズム、30 第3のプリズム、40 第4のプリズム、100,100A,100B,100C,100D,100E プリズムユニット、101 光源、102 ランプリフレクタ、103 カラーホィール、104 ロッドインテグレータ、105 リレー光学手段、106 投影レンズ、201 第1レンズアレイ、202 第2レンズアレイ、203 重ね合せレンズ、204B,454B 青色透過ダイクロミラー、204G 緑色透過ダイクロミラー、204R,454R 赤色反射ダイクロミラー、206,208,406,408 リレーレンズ、207,209,210,459,460,461 折り返しミラー、300 クロスダイクロプリズム、400,450 色合成プリズム、1000,2000,3000,4000 プロジェクター。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
【国際調査報告】