微透镜阵列、光强度分布均匀化元件以及投影装置

摘要

本发明提供一种微透镜阵列以及具备该微透镜阵列的光强度分布均匀化元件、投影装置，该微透镜阵列具备各光轴彼此平行排列的多个微透镜，其特征在于，作为光射入的面的上述微透镜的入射面由树脂形成，作为光射出的面的上述微透镜的出射面由玻璃形成。

说明书

包含2012年12月19日提出的日本国专利申请第2012－276802号 的说明书、权利要求书、附图以及摘要的所有公开通过引用被融入于此。

技术领域

本发明涉及微透镜阵列、具备该微透镜阵列的光强度分布均匀化元 件以及具备光强度分布均匀化元件的投影装置。

背景技术

由大量微透镜一维或二维排列而成的微透镜阵列广为人知。例如， 在日本特开平6－250002号公报中，公开了这样的微透镜阵列的制造方 法。详细而言，公开了使用光刻成像以及干法刻蚀来制造微透镜阵列的 方法。如使用这样的微透镜，则例如能够形成使光的强度分布均匀化的 光强度分布均匀化元件。

在使用例如玻璃来形成微透镜阵列时，由于其加工精度的限制，很 难使构成微透镜阵列的各微透镜的整个面形成理想的透镜形状。特别是 很难在邻接的微透镜之间的边界附近形成理想的透镜形状。未形成理想 的透镜形状的部分成为不能如愿的作为透镜发挥作用的无效部分。由于 该无效部分的存在，将会发生光的损失。若无效部分大，则光的损失变 大。

例如若使用树脂，则比使用玻璃易于高精度地形成微透镜阵列。但 是，树脂与玻璃相比，例如容易因为热量而劣化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光损失少且不易产生劣化的微透镜阵 列、具备该微透镜阵列的光强度分布均匀化元件以及具备光强度分布均 匀化元件的投影装置。

本发明涉及一种具备各光轴彼此平行排列的多个微透镜的微透镜 阵列，其特征在于，作为光射入的面的上述微透镜的入射面由树脂形成， 作为光射出的面的上述微透镜的出射面由玻璃形成。

本发明的上述以及其他的目的、特征以及优点通过所添附的附图和 以下的详细说明进一步明确。

附图说明

图1为表示第一实施方式的光强度分布均匀化元件的构成例的示意 图。

图2为用于说明第一实施方式的微透镜阵列的构成例的图。

图3为表示第一实施方式的微透镜阵列的其他构成例的示意图。

图4为表示第二实施方式的投影仪的构成例的示意框图。

图5为表示第二实施方式的投影仪的光学系统的一例的示意框图。

具体实施方式

以下，使用附图对用于实施本发明的最佳实施方式加以说明。不过， 虽然在以下所述的实施方式中附加了很多用于实施本发明的技术上优 选的各种限定，但并非是将发明的范围限定于以下的实施方式以及图示 的例子。

［第一实施方式］

参照附图，对本发明的第一实施方式加以说明。图1中示出本实施 方式的光强度分布均匀化元件100的构成例的示意内容。光强度分布均 匀化元件100具备微透镜阵列110和透镜组160。透镜组160包含第一 透镜162、第二透镜164和第三透镜166。

微透镜阵列110包含多个微透镜112。这些微透镜112以各微透镜 112的光轴平行的方式，在同一面内排列成阵列状。例如微透镜112排 列成矩形的格子状。

本实施方式的微透镜阵列110通过设于入射侧的第一微透镜阵列 122和设于出射侧的第二微透镜阵列126来形成。在此，第一微透镜阵 列122由树脂形成。第二微透镜阵列126由玻璃形成。第一微透镜阵列 122一体地形成多个微透镜排成阵列状的形状。同样，第二微透镜阵列 126一体地形成多个微透镜排成阵列状的形状。第一微透镜阵列122与 第二微透镜阵列126在粘接层129，例如通过透镜用粘接剂贴合。

第一微透镜阵列122中的各微透镜与第二微透镜阵列中的各微透镜 彼此对应。因此，通过第一微透镜阵列122中的一个微透镜和第二微透 镜阵列中的一个微透镜形成一个微透镜112。将第一微透镜阵列122中 的各透镜称为第一微透镜123，将第二微透镜阵列126中的各透镜称为 第二微透镜127。另外，图1中所示的○标记180表示例如由于加工精 度所限，不能如设计的那样作为透镜发挥作用的无效部分的区域。即， 该○标记越大，表示无效部分越大。赋予○标记180的部分以外的区域 为如设计的那样作为透镜发挥作用的有效部分。

以即使在第二微透镜阵列126存在一些制造误差等，射入第一微透 镜123的光也将射入相对应的第二微透镜127的有效部分的方式，形成 第一微透镜123。即，在第一微透镜阵列122的入射侧形成有向相对应 的第二微透镜127的中央聚光的第一微透镜123。另一方面，在第二微 透镜阵列126的出射侧形成有被构成为通过第一微透镜123上的1点的 光线束从第二微透镜阵列126平行射出的第二微透镜127。即，第一微 透镜123与第二微透镜127具有光学上对称的形状。不过，由于树脂与 玻璃的折射率不同，所以第一微透镜123与第二微透镜127的曲率半径 稍有不同。

对包含本实施方式的微透镜阵列110的光强度分布均匀化元件100 的作用加以说明。平行光射入包含第一微透镜阵列122和第二微透镜阵 列126的微透镜阵列110时，光路成为如图2所示的样子。即，通过微 透镜阵列110的光的出射方向根据射入各微透镜112的位置来决定。结 果，从微透镜阵列110射出的光线束成为从具有微透镜的排列形状即长 方形并配置于无限远处的光源射出的光线束。

在本实施方式中，如图1所示，以使从微透镜阵列110射出的光在 照射面170成像的方式设有透镜组160。因此，射入构成微透镜阵列110 中的各微透镜112的光分别被照射于照射面170的规定范围。结果，照 射面170的光强度的分布成为从各微透镜射出的光的强度分布的总和。 在此，微透镜阵列110中的微透镜112的间距越是足够小，照射面170 上光强度的分布越均匀，而与微透镜阵列110的入射面的光强度的分布 无关。

即使射入光强度分布均匀化元件100的光的强度分布不均匀，如以 上那样的本实施方式的光强度分布均匀化元件100也能够使照射面170 上的光强度分布均匀。

本实施方式的微透镜阵列110包含树脂制的第一微透镜阵列122和 玻璃制的第二微透镜阵列126。将这些组合起来的理由如下。若像第一 微透镜阵列122这样使用树脂作为材料，则例如模具的制作较容易，因 此，能够精密地制作出其形状。结果，作为透镜发挥作用的有效部分变 大，由于形状扭曲等而不作为透镜发挥作用的无效部分变小。另一方面， 若使用树脂，则易引起由热等所产生的性能劣化。与此相对，若如第二 微透镜阵列126那样使用玻璃作为材料，则不易引起性能劣化。另一方 面，由于精密的加工较困难，所以无效部分容易变大。

在本实施方式中，如图1中由○标记180所示地，第一微透镜阵列 122中的无效部分比第二微透镜阵列126中的无效部分窄。因此，在本 实施方式的微透镜阵列110中，与假设整个微透镜阵列110由玻璃制造 而成的情况相比，射入第一微透镜阵列122的光能够以更高的比例得到 利用。

此外，入射光聚焦于第二微透镜阵列126的出射面。因此，第二微 透镜阵列126的出射面附近容易变得高温。所以，第二微透镜阵列126 比第一微透镜阵列122更容易受到由热所产生的影响。在本实施方式 中，微透镜阵列110的出射侧由玻璃制的第二微透镜阵列126构成，因 此，与假设整个微透镜阵列110由树脂制造而成的情况相比，微透镜阵 列110更加不易受到由热所产生的劣化的影响。另外，第二微透镜阵列 126的无效部分比第一微透镜阵列122的无效部分大，光不通过该无效 部分。因此，无效部分的大小不会影响微透镜阵列110的性能。

如以上所述，在入射侧使用无效部分小的树脂，在出射侧使用耐热 性优越的玻璃，由此，光的利用效率高，且将实现耐久性优越的微透镜 阵列110。本实施方式的光在由玻璃形成的第二微透镜阵列126内聚焦， 因此特别奏效。在此，光在第二微透镜阵列126内聚焦的优点在于不易 受到第一微透镜阵列122的各微透镜和第二微透镜阵列126的各微透镜 的配置误差的影响这一点。

进而，第一微透镜阵列122与第二微透镜阵列126接合且微透镜阵 列110形成一体，因此，还具有在微透镜阵列110的安装等中的操作容 易的优点。

另外，在本实施方式中，微透镜阵列110中的第一微透镜阵列122 与第二微透镜阵列126接合。但是并不限于此，第一微透镜阵列122与 第二微透镜阵列126也可以被分离设置。该情况下，例如，为了防止从 第一微透镜阵列射出的光在第一微透镜阵列的入射面反射，可以使无反 射涂层夹于第一微透镜阵列122与第二微透镜阵列126之间，也可以在 第二微透镜阵列126的入射面上施加无反射涂布。

此外，在图1所示的微透镜阵列110中，第一微透镜阵列122和第 二微透镜阵列126的大小几乎相同。但是，第一微透镜阵列122和第二 微透镜阵列126的大小之比可以是任意大小。

因此，例如如图3所示，也可以在玻璃制的第四微透镜阵列136上 层积薄的树脂制第三微透镜阵列132，形成微透镜110。该情况下，微 透镜110例如以如下顺序制作而成。首先，玻璃制的第四微透镜阵列 136形成为与一般的微透镜阵列相同。其后，在第四微透镜阵列136的 入射侧的面形成以与上述第一微透镜123同样地发挥作用的方式设计 而成的树脂制的第三微透镜阵列132。例如将UV固化性的树脂或环氧 树脂这样的热固化性树脂用于第三微透镜阵列132，例如可以将形成非 球面透镜情况的技术等应用于此第三微透镜阵列的形成。如果能使用这 样的技术，本实施方式的微透镜阵列110的制造将变得比较容易。

另外，在图3中示出了在第三微透镜阵列136的入射侧的面形成有 凸面的例子，但第三微透镜阵列136的入射面也可以是平坦的，而仅通 过涂层132来形成作为透镜发挥作用的凸面。

另外，构成光强度分布均匀化元件100的微透镜阵列110与一般的 微透镜阵列110同样地，不限于光强度分布均匀化元件而能够用于各种 用途。在本实施方式中示出了多个微透镜112排列成面状的情况，本实 施方式的技术也可以适用于例如排列成1列这样的线状的微透镜阵列。

［第二实施方式］

参照附图，对第二实施方式加以说明。本实施方式为使用了第一实 施方式的微透镜阵列的投影装置的实施方式。图4中示出作为本实施方 式的投影装置的投影仪10的构成例的示意图。该投影仪10使用的是使 用了微反射镜显示元件的Digital Light Processing（DLP）（注册商 标）方式。投影仪10具有：输入部11、图像转换部12、投影处理部 13、微反射镜元件14、光源部15、镜16、投影透镜部17、CPU18、主 存储器19、程序存储器20、操作部21、声音处理部22、扬声器23和 系统总线SB。

在输入部11例如设有接触插孔（RCA）型的视频输入端子和D－ sub15型的RGB输入端子这样的端子，并输入模拟图像信号。输入部 11将所输入的各种规格的模拟图像信号转换为数字图像信号。输入部 11将已转换的数字图像信号介由系统总线SB向图像转换部12输出。 另外，在输入部11例如还设有HDMI（注册商标）端子等，不仅能够 输入模拟图像信号，也能输入数字图像信号。此外，向输入部11输入 由模拟或数字信号形成的声音信号。输入部11向声音处理部22输出所 输入的声音信号。

图像转换部12也称为换算器。图像转换部12连接于系统总线SB。 图像转换部12将所输入的图像数据转换为适合投影的规定格式的图像 数据，并将转换数据向投影处理部13发送。根据需要，图像转换部12 将重叠了表示On Screen Display（OSD）用的各种动作状态的符号 的图像数据作为加工图像数据向投影处理部13发送。

光源部15在投影处理部13的控制下，射出包含红（R）、绿（G）、 蓝（B）的原色光的多个色的光。在此，光源部15被构成为分时地依次 射出多个色的色。从光源部15射出的光在镜16进行全反射，并射入微 反射镜元件14。

微反射镜元件14具有例如像数字·微反射镜·器件（DMD；注册 商标）这样的、排列成阵列状的多个微反射镜。各微反射镜以高速进行 开／关动作，使从光源部15被照射的光向投影透镜部17的方向反射， 或使其从投影透镜部17的方向偏离。在微反射镜元件14，例如按WXGA （Wide eXtended Graphic Array）（横1280像素×纵800像素）的 量排列有微反射镜。通过在各微反射镜的反射，微反射镜元件14例如 形成WXGA分辨率的图像。这样，微反射镜元件14作为空间的光调制 元件发挥作用。

投影处理部13连接于系统总线SB，根据从图像转换部12发送的 图像数据，以使此图像数据所表示的图像显示的方式来驱动微反射镜元 件14。即，投影处理部13使微反射镜元件14的各微反射镜进行开／ 关动作。在此，投影处理部13高速地对微反射镜元件14进行分时驱动。 单位时间的分割数是按照规定格式的帧率，例如60［帧／秒］、色成 分的分割数和显示分级数相乘所获得的数。此外，投影处理部13还与 微反射镜元件14的动作同步地控制光源部15的动作。即，投影处理部 13对各帧进行分时，以按帧依次射出所有颜色成分的光的方式来控制 光源部15的动作。

投影透镜部17将从微反射镜元件14导出的光调整为例如向未作图 示的屏幕等的被投影体投影的光。因此，通过由微反射镜元件14产生 的反射光所形成的光像介由投影透镜部17，被投影显示于屏幕。

声音处理部22连接于系统总线SB，并具备PCM声源等的声源电 路。基于从输入部11输入的模拟声音数据，或基于对投影动作时被赋 予的数字声音数据进行了模拟化后的信号，声音处理部22驱动扬声器 23来扩放声音。此外，声音处理部22根据需要而产生提示（Beep）音 等。扬声器23为基于从声音处理部22输入的信号来射出声音的一般的 扬声器。

CPU18连接于系统总线SB，并控制图像转换部12、投影处理部13 以及声音处理部22等的动作。该CPU18与主存储器19以及程序存储 器20连接。主存储器19例如由SRAM构成。主存储器19作为CPU18 的工作存储器发挥作用。程序存储器20由电学上可改写的非易失性存 储器构成。程序存储器20存储CPU18所执行的动作程序和各种定型数 据等。此外，CPU18与操作部21连接。操作部21包含设于投影仪10 的主体的键操作部、感应来自投影仪10专用的未作图示的遥控的红外 光的红外线感光部。操作部21将基于用户通过主体的键操作部或遥控 进行了操作的键的键操作信号向CPU18输出。CPU18使用存储于主存 储器19以及程序存储器20的程序和数据，根据来自操作部21的用户 的指示，对投影仪10的各部分的动作进行控制。

参照图5，对包含光源部15、镜16、微反射镜元件14以及投影透 镜部17的本实施方式的投影仪10的光学系统加以说明。在光源部15 设有激光光源单元30，该激光光源单元具有作为发出蓝色激光的半导 体发光元件的半导体激光（激光二极管；LD）31来作为光源。LD31 在激光光源单元30内排列成阵列状。例如在本实施方式中，共24个 LD31被配置成3行8列的阵列状。各LD31所发出的蓝色激光通过与 各LD31对应配置的准直透镜32而形成平行光，从激光光源单元30射 出。

在与准直透镜32对置的位置，镜33被配置成阶梯状。从激光光源 单元30射出的激光通过镜33被反射，其光路变化90度。通过镜33被 反射的激光被汇聚成一个光束。这样一来，光束从激光光源单元30射 出。

在该光束的光路上配置有透镜34、35以及第一分色镜36。通过镜 33被反射的激光在通过透镜34、35形成平行光束后，射入第一分色镜 36。第一分色镜36使蓝色光以及红色光透射，并使绿色光反射。在从 该第一分色镜36透射的蓝色光的透射光的光路上配置有透镜37、38以 及荧光轮39。从第一分色镜子36透射的蓝色光介由透镜37、38被照 射于荧光轮39。

荧光轮39呈圆盘形状。荧光轮39被分割为两个区域，在其一方形 成透射用的漫射板，在另一方形成有荧光体层。在存在荧光体层的部分 的荧光轮39中被来自激光光源单元30的激光所照射的面涂布荧光体, 形成荧光层。该荧光体为在被蓝色光照射时放射绿色荧光的荧光体。在 荧光层的背面形成有反射板。荧光轮39的漫射板为使蓝色光透射，且 使此光漫射的板。荧光轮39通过作为旋转驱动部的马达40的驱动而旋 转。该旋转通过投影处理部13，与微反射镜元件14一同被同步控制。 在控制时，投影处理部13对形成于荧光轮39的未做图示的标记的旋转 进行检测，并利用其检测结果。

蓝色的激光若射入荧光轮39的荧光层，则放射绿色的荧光。该绿 色的荧光被等方向地放射。向荧光层的背面侧放射的荧光通过反射板被 反射。因此，从荧光层放射的荧光被引导向透镜38、37侧。通过了透 镜38、37的绿色光射入第一分色镜36。

在通过第一分色镜36反射的绿色光的光路上配置有透镜41和第二 分色镜42。通过第一分色镜36被反射的绿色光介由透镜41射入第二 分色镜42。第二分色镜42使蓝色光透射，使红色光以及绿色光反射。 在通过该第二分色镜42反射的绿色光的光路上依次配置有透镜43、镜 44、第一实施方式的光强度分布均匀化元件100和镜16。如上所述的 光强度分布均匀化元件100为包含微透镜阵列110和透镜组160，并使 光束的强度分布均匀的元件。通过第二分色镜42被反射的绿色光介由 透镜43以及镜射入光强度分布均匀化元件100。该绿色光在光强度分 布均匀化元件100形成强度分布均匀的光束，并射入镜16。

此外，在从激光光源单元30射出的蓝色激光的光路上存在荧光轮 39的漫射板的情况下，该蓝色激光通过以下的路线。从激光光源单元 30射出的蓝色激光射入荧光轮39的漫射板，在该漫射板形成漫射并透 射。在透射光的光路上配置有透镜50、镜51、透镜52、镜53、透镜 54和第二分色镜42。从漫射板透射的蓝色光介由透镜50通过镜51被 反射，介由透镜52进一步通过镜53被反射，并介由透镜54，射入第 二分色镜42。从第二分色镜42透射的蓝色光介由透镜43以及镜44射 入光强度分布均匀化元件100。该蓝色光在光强度分布均匀化元件100 形成强度分布均匀的光束，并射入镜16。

光源部15进一步具有作为发出红色光的半导体发光元件的发光二 极管（LED）55来作为光源。在从LED55射出的光的光路上配置有透 镜56、57以及第一分色镜36。LED55所发出的红色光介由透镜56、57 射入第一分色镜36。从第一分色镜子36透射的红色光介由透镜41射 入第二分色镜42。然后，通过第二分色镜42被反射的红色光介由透镜 43以及镜射入光强度分布均匀化元件100。该红色光在光强度分布均匀 化元件100形成强度分布均匀的光束，并射入镜16。

通过镜16被反射的绿色光、蓝色光、红色光分别介由透镜45被照 射于微反射镜元件14。微反射镜元件14通过向投影透镜部17方向的 反射光而形成光像。该光像介由透镜45以及投影透镜部17被照射于投 影对象的未作图示的屏幕等。

对本实施方式的投影仪10的动作加以说明。另外，以下的动作是 在CPU18的控制下由投影处理部13所执行的。激光光源单元30的蓝 色发光用的LD31和红色发光用的LED55的发光定时、与该发光定时同 步的荧光轮39的旋转定时以及微反射镜元件14的动作均由投影处理部 13控制。

举例对例如使红色光（R）、绿色光（G）、蓝色光（B）的3色光 射入微反射镜元件14的情况加以说明。在使红色光射入微反射镜元件 14的定时，点亮红色发光用的LED55，关闭蓝色发光用的LD31。在使 绿色光射入微反射镜元件14的定时，关闭红色发光用的LED55，点亮 蓝色发光用的LD31。此时，荧光轮39被设为荧光层通过由马达40所 产生的旋转而位于蓝色光的光路上。在使蓝色光射入微反射镜元件14 的定时，关闭红色发光用的LED55，点亮蓝色发光用的LD31。此时， 荧光轮39被设为漫射板通过由马达40所产生的旋转而位于蓝色光的光 路上。如以上那样，通过对LED55以及LD31的点亮以及关闭和由马达 40所产生的荧光轮39的旋转角度进行控制，使红色光、绿色光以及蓝 色光依次射入微反射镜元件14。

微反射镜元件14对各色的光，按微反射镜（按像素），基于图像 数据的灰度越高越延长将射入的光向投影透镜部17引导的时间，灰度 越低越缩短将射入的光向投影透镜部17引导的时间。即，投影处理部 13对微反射镜元件14进行控制，以便对应于灰度高的像素的微反射镜 成为长时间打开的状态，对应于灰度低的像素的微反射镜成为长时间关 闭的状态，这样一来，对于从投影透镜部17射出的光，能够按微反射 镜（按像素）表现各色的灰度。

按帧，针对各颜色将微反射镜打开时所表现的灰度进行组合，由此 来对图像加以表现。如以上那样，从投影透镜部17射出对图像进行了 表现的投影光。该投影光例如被投影于屏幕，由此，在屏幕等上表现图 像。

另外，在上述说明中示出了使用红色光、绿色光、蓝色光这3色的 投影仪的例子，但也可以将投影仪构成为能够射出品红和黄色等这些颜 色的光，以便将品红和黄色等的补色与白色光等组合起来形成图像。

在本实施方式中，微透镜阵列110被设为光线垂直入射。此外，被 构成为微反射镜元件14的反射面与参照图1所说明的照射面170一致。 通过这样的光强度分布均匀化元件100，均匀光照射于微反射镜元件。 结果，来源于被投影的图像中的光源的灰度的不均匀被消除。

另外，在本实施方式中示出了光强度分布均匀化元件100被用作投 影仪的情况，但光强度分布均匀化元件100的用途并不限于此。本实施 方式的光强度分布均匀化元件100能够被利用于要求均匀的光强度分 布的各种场合。

此外，本发明并不限于上述实施方式，在实施阶段可以在不脱离其 主旨的范围内进行各种变形。此外，也可以将上述实施方式中所执行的 功能在可能的范围内适当地加以组合来实施。在上述实施方式中包含各 种阶段，通过对所公开的多个构成要件进行的适当组合，能够提取出各 种发明。例如，即使从实施方式中所示的所有构成要件中删除几个构成 要件，如果能够取得效果，那么也可以将删除了该构成要件的构成作为 发明加以提取。