JP4614789B2 - 光学部材及び照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、光学部材及び照明装置及び投写型映像表示装置に関する。

従来より、大画面映像を表示する装置として、照明装置からの光を液晶パネルに照射し、この液晶パネルに表示されている画像をスクリーン上に拡大投写する液晶プロジェクタが知られており、その照明装置として複数の光源を用いる多灯式照明装置を用いるものが在る（特許文献１参照）。図１０に示しているように、多灯式照明装置５０は、第１光源５１及び第２光源５２から出射された光束を、反射混合部材５３にて合成するように構成されたものである。前記反射混合部材５３は、第１の反射面５３ａと第２の反射面５３ｂとを交互に備えている。反射混合部材５３はプリズムアレイとも呼ばれている。

また、赤色ＬＥＤからの赤色光、緑色ＬＥＤからの緑色光、及び青色ＬＥＤからの青色光を、クロスダイクロイックプリズムを用いてそれぞれ一つの方向に導く構成が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−２９６６７９号公報 特開２００２−１８９２６３号公報

色純度が高い発光ダイオード等にて３原色光をそれぞれ生成し、各色光を一つの方向に導くことができる光学系としては、特許文献２に記載のクロスダイクロイックプリズムがある。しかしながら、このクロスダイクロイックプリズムは高価である。一方、前述したプリズムアレイを用いる構成では、３つの色光を一つの方向に導くことができない。

この発明は、上記の事情に鑑み、クロスダイクロイックプリズムを用いずに３つの色光を一つの方向に導くことができる光学部材及び照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

この発明の光学部材は、上記の課題を解決するために、第１の方向から受けた第１の色光を特定方向に反射する第１の反射部と第２の方向から受けた第２の色光を前記特定方向と平行な方向に反射する第２の反射部とから成る組が鋸歯状を成すように複数配置されており、前記第１の反射部及び第２の反射部の少なくとも一方は、第３の方向から入射された第３の色光を透過させて前記特定方向と平行な方向に導くダイクロイックミラーであり、前記第１の反射部と前記第２の反射部とが成す頂角は鈍角となるように配置されていることを特徴とする（以下、この項において第１光学部材という）。

また、この発明の光学部材は、第１の方向から受けた第１の色光を特定方向に反射する第１の反射部と第２の方向から受けた第２の色光を前記特定方向と平行な方向に反射する第２の反射部とから成る組が鋸歯状を成すように複数配置されており、前記第１の反射部及び第２の反射部の少なくとも一方は、第３の方向から入射された第３の色光を透過させて前記特定方向と平行な方向に導くダイクロイックプリズムであり、前記第１の反射部と前記第２の反射部とが成す頂角は鈍角となるように配置されていることを特徴とする（以下、この項おいて第２光学部材という）。

また、この発明の光学部材は、第２光学部材において、前記ダイクロイックプリズムの前記第３の色光が入射する側に配置され、前記第３の色光を透過させると共に前記第３の色光の進行方向を制御して前記特定方向と平行な方向に導く透明部材を有することを特徴とする（以下、この項おいて第３光学部材という）。

上記構成であれば、クロスダイクロイックプリズムを用いずに３つの色光を一つの方向に導くことができる。

この発明の照明装置は、第１乃至第３の光学部材と、第１の色光を出射する第１光源と、第２の色光を出射する第２光源と、第３の色光を出射する第３光源とを備えたことを特徴とする。

上記照明装置において、前記光源の全て又は一部は複数の固体発光素子が同一平面内に配置された固体発光素子アレイから成ることを特徴とする。

また、この発明の投写型映像表示装置は、上記照明装置と、前記照明装置からの光を受けるライトバルブと、前記ライトバルブを経ることで得られた映像光を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする。

以下、この発明の実施形態の光学部材及び照明装置及び投写型映像表示装置を図１乃至図９に基づいて説明していく。

図１は、この発明の実施形態の光学部材１２及び照明装置１００及び投写型映像表示装置２００を示した概略の構成図である。照明装置１００は、ＬＥＤ光源１１Ｇ，１１Ｒ，１１Ｂ（以下、個々のＬＥＤ光源を特定しないで示すときには、符号”１１”を用いる）と、光学部材１２と、インテグレータレンズ（一対のフライアイレンズ）１４と、偏光変換装置１５と、を備えて成る。そして、投写型映像表示装置２００は、上記照明装置１００と、コンデンサレンズ２，３，４と、液晶表示パネル５と、投写レンズ６とを備えて成る。

ＬＥＤ光源１１は、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）が同一平面内にアレイ状に配置されたものである。各ＬＥＤの主光線軸は前記平面（ＬＥＤ配置平面）に対して直交するように設定されている。前記ＬＥＤ光源１１Ｒは赤色光を出射し、ＬＥＤ光源１１Ｇは緑色光を出射し、ＬＥＤ光源１１Ｂは青色光を出射する。ＬＥＤ光源１１の各ＬＥＤは平行化用のレンズ部を備えていてもよい。また、ＬＥＤチップをアレイ状に配置し且つ各ＬＥＤチップの光出射側にレンズセル（平行光化用）をモールド等により配置して成るＬＥＤ光源を採用することもできる。

光学部材１２は第１ダイクロイックミラー部１２ａと第２ダイクロイックミラー部１２ｂとから成る組を一つ又は複数有して成る。前記ミラー部１２ａ，１２ｂは鋸歯状を成すように傾斜配置されている。第１ダイクロイックミラー部１２ａ及び第２ダイクロイックミラー部１２ｂは図１の紙面垂直方向に長い薄板状の部材である。第１ダイクロイックミラー部１２ａ及び第２ダイクロイックミラー部１２ｂは共に青色光を透過し他の色光を反射するように設計されている。

図１においては、反射光及び透過光の光軸と光学部材１２の法線Ｏを共通化して示している。ＬＥＤ光源１１Ｇの主光線軸と前記法線Ｏとは所定の角度をなしており、同様に、ＬＥＤ光源１１Ｒの主光線軸と前記法線Ｏとは前記所定の角度と同じ角度をなす。そして、ＬＥＤ光源１１Ｇから出射された緑色光は第１ダイクロイックミラー部１２ａにて法線Ｏに平行な方向に反射され、ＬＥＤ光源１１Ｒから出射された赤色光は第２ダイクロイックミラー部１２ｂにて法線Ｏに平行な方向に反射されるように、第１ダイクロイックミラー部１２ａと第２ダイクロイックミラー部１２ｂとが成す角度（頂角）及びＬＥＤ光源１１Ｇ及びＬＥＤ光源１１Ｒの位置（主光線軸の向き）が調整されている。

ＬＥＤ光源１１Ｂは、その主光線軸が前記法線Ｏと平行となるように配置されている。ＬＥＤ光源１１Ｂが出射する青色光は、第１ダイクロイックミラー部１２ａ及び第２ダイクロイックミラー部１２ｂを透過し、第１ダイクロイックミラー部１２ａ及び第２ダイクロイックミラー部１２ｂにて反射された赤色光及び緑色光と平行に進む。

前記インテグレータレンズ１４は、前記光学部材１２と平行に（前記法線Ｏに対して垂直に）配置されている。インテグレータレンズ１４は、一対のフライアイレンズ１４ａ，１４ｂから成り、個々の凸レンズ対がＬＥＤ光源１１Ｇ，１１Ｒ，１１Ｂからの光を液晶表示パネル５の全面に照射するように設計される。すなわち、入射側フライアイレンズ１４ａ上での各色光の輝度ムラが液晶表示パネル５上に反映されないようにするものでり、各色光の光強度分布は液晶表示パネル５上でほぼ均一化される。

偏光変換装置１５は、偏光ビームスプリッタアレイ（以下、ＰＢＳアレイと称する）によって構成される。ＰＢＳアレイは、偏光分離膜と位相差板（１／２λ板）とを備える。ＰＢＳアレイの各偏光分離膜は、インテグレータレンズ１４からの光のうち例えばＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路変更する。光路変更されたＳ偏光は隣接の偏光分離膜にて反射され、その前側（光出射側）に設けてある前記位相差板によってＰ偏光に変換されて出射される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光は、そのまま出射される。すなわち、この場合には、ほぼ全ての光はＰ偏光に変換される。上記の例では、全ての光をＰ偏光に変換する構成に関して説明を行ったが、位相差板位置をＰ偏光出射位置に設けることで、全てＳ偏光に変換する構成とすることもできる。

上記照明装置１００から出射された光は、コンデンサレンズ２，３，４を経て液晶表示パネル５に至る。この液晶表示パネル５に入射した光は、各画素において設定された光透過率に従って光強度変調を受けて映像光となり、投写レンズ６によって図示しないスクリーンに投影される。

前述した液晶表示パネル５は、ＲＧＢカラーフィルタを備えた構造、或いはＲＧＢカラーフィルタを備えない構造を有する。ＲＧＢカラーフィルタを備える構造の表示パネル５を用いる場合には、前記ＬＥＤ光源１１を常時点灯して白色光を表示パネル５に導く。前記ＲＧＢカラーフィルタを備えない構造の表示パネルを用いる場合には、ＬＥＤ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを時分割で順次に所定時間点灯させると共に、この所定時間点灯のタイミングに同期させて表示パネル５に各色の映像信号を供給する。

第１ダイクロイックミラー部１２ａと第２ダイクロイックミラー部１２ｂのいずれか一方は、青色光を透過しないミラー（通常のミラー）であってもよい。いずれか一方を通常のミラーとする場合は、第１ダイクロイックミラー部１２ａを通常のミラーとする（第２ダイクロイックミラー部１２ｂは残す）のがよい。ダイクロイックミラーは任意に設定した波長値を境界に例えば上側の波長の光を反射させ下側の波長の光を透過する。前記境界付近で透過させられるべき色光と反射させられるべき色光が混在すると、光の利用効率が低下してしまう。第２ダイクロイックミラー部１２ｂは赤色光を反射し青色光を透過する。赤色光と青色光は波長帯が離れているから、上記のごとく、第２ダイクロイックミラー部１２ｂを残すのがよい。

図２は照明装置１０１を示した説明図である。照明装置１００との相違点は、ＬＥＤ光源１１Ｒ，１１Ｇに替えて、ＬＥＤ光源１１１Ｒ，１１１Ｇ（以下、個々のＬＥＤ光源を特定しないで示すときには、符号”１１１”を用いる）を備えている点である。ＬＥＤ光源１１１は、複数のＬＥＤが同一平面内に配置されたものであり、各ＬＥＤの主光線軸は前記平面（ＬＥＤ配置平面）に対して直交しないように設定されている。勿論、光学部材１２にて反射された赤色光及び緑色光は互いに平行であり、且つ、ＬＥＤ光源１１Ｂから出射されて光学部材１２を透過した青色光とも平行である。この照明装置１０１は照明装置１００に比べて小型化の点で有利である。一方、放熱性については、照明装置１００の方がＬＥＤ光源間に距離があるので照明装置１０１よりも有利である。

図３は照明装置１０２を示した説明図である。この照明装置１０２は、ＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂ（以下、個々のＬＥＤ光源を特定しないで示すときには、符号”１１２”を用いる）と、光学部材１２と、を備えて成る。各ＬＥＤ光源１１２は、一つのＬＥＤから成る。光学部材１２にて反射された赤色光と、光学部材１２にて反射された緑色光と、ＬＥＤ光源１１２Ｂから出射されて光学部材１２を透過した青色光とが互いに平行となるように、ＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂの主光線軸が調整されている。

図４は照明装置１０３を示した説明図である。この照明装置１０３は、ＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂ（以下、個々のＬＥＤ光源を特定しないで示すときには、符号”１１２”を用いる）と、光学部材２２と、を備えて成る。光学部材２２は、一つの第１ダイクロイックミラー部２２ａと一つの第２ダイクロイックミラー部２２ｂとを有して成る。前記ミラー部２２ａ，２２ｂは山形状を成すように傾斜配置されている。第１ダイクロイックミラー部２２ａ及び第２ダイクロイックミラー部２２ｂは共に青色光を透過し他の色光を反射するように設計されている。光学部材２２にて反射された赤色光と、光学部材２２にて反射された緑色光と、ＬＥＤ光源１１２Ｂから出射されて光学部材２２を透過した青色光とが互いに平行となるように、ＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂの主光線軸及び前記ミラー部２２ａ，２２ｂの傾斜角度が調整されている。なお、光学部材２２とＬＥＤ光源１１２Ｂとから成るセットを複数設けてもよい。

図５は照明装置１０４を示した説明図である。照明装置１００との相違点は、光学部材１２に替えて光学部材１３を備えると共に、ＬＥＤ光源１１Ｂに替えてＬＥＤ光源１１３Ｂを備えている点である。光学部材１３は第１ダイクロイックプリズム部１３ａと第２ダイクロイックプリズム部１３ｂとから成る組を複数有して成る。前記プリズム部１３ａ，１３ｂは光出射面（反射面）側において鋸歯状を成すように形成されている。第１ダイクロイックプリズム部１３ａ及び第２ダイクロイックプリズム部１３ｂは共に青色光を透過し他の色光を反射するように設計されている。

ＬＥＤ光源１１３Ｂは複数のＬＥＤが同一平面内に配置されたものであり、各ＬＥＤはその位置に応じてその主光線軸が前記平面（ＬＥＤ配置平面）に対して直交しないように配置されている。すなわち、プリズム部１３ａに向けて光を出射するように配置された各ＬＥＤは、プリズム部１３ａを透過して出射する光が前記法線Ｏと平行となるように、前記法線Ｏに対して反時計回りに所定角度傾けられる。また、プリズム部１３ｂに向けて光を出射するように配置された各ＬＥＤは、プリズム部１３ｂを透過して出射する光が前記法線Ｏと平行となるように、前記法線Ｏに対して時計回りに所定角度傾けられる。

第１ダイクロイックプリズム部１３ａと第２ダイクロイックプリズム部１３ｂのいずれか一方は、青色光を透過しない通常のミラーであってもよい。いずれか一方を通常のミラーとする場合は、第１ダイクロイックプリズム部１３ａを通常のミラー部とする（第２ダイクロイックプリズム部１３ｂは残す）のがよい。ダイクロイックプリズムは任意に設定した波長値を境界に例えば上側の波長の光を反射させ下側の波長の光を透過する。前記境界付近で透過させられるべき色光と反射させられるべき色光が混在すると、光の利用効率が低下してしまう。第２ダイクロイックプリズム部１３ｂは赤色光を反射し青色光を透過する。赤色光と青色光は波長帯が離れているから、上記のごとく、第２ダイクロイックプリズム部１３ｂを残すのがよい。

図６は照明装置１０５を示した説明図である。照明装置１０４との相違点は、ＬＥＤ光源１１Ｒ，１１Ｇに替えて、ＬＥＤ光源１１１Ｒ，１１１Ｇを備えている点である。この照明装置１０５は照明装置１０４に比べて小型化の点で有利である。一方、放熱性については、照明装置１０４の方がＬＥＤ光源間に距離があるので照明装置１０５よりも有利である。

図７は照明装置１０６を示した説明図である。この照明装置１０６は、ＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂと、光学部材２３と、を備えて成る。各ＬＥＤ光源１１２は、一つのＬＥＤから成る。光学部材２３は、第１部材２３Ａと第２部材（光指向性制御部材）２３Ｂとから成る。

第１部材２３Ａは光学部材１３と同一の構成を有する。すなわち、第１部材２３Ａは、第１ダイクロイックプリズム部２３ａと第２ダイクロイックプリズム部２３ｂとから成る組を複数有して成る。前記プリズム部２３ａ，２３ｂは光出射面（反射面）側において鋸歯状を成すように形成されている。第１ダイクロイックプリズム部２３ａ及び第２ダイクロイックプリズム部２３ｂは共に青色光を透過し他の色光を反射するように設計されている。ただし、ＬＥＤ光源１１２Ｂの光束内に複数のプリズム部２３ａ，２３ｂが存在する点で照明装置１０４と相違している。

第２部材２３Ｂは、この実施形態ではプリズムアレイである（ダイクロイック特性は有しない）。このプリズムアレイの山形状部の頂部と前記プリズム部２３ａ，２３ｂから成る山形状部の頂部を結ぶ線は光学部材２３の法線Ｏ（図７では省略している）に平行である。この照明装置１０６においては、光学部材２３にて反射された赤色光の主光線軸と、光学部材２３にて反射された緑色光の主光線軸と、ＬＥＤ光源１１２Ｂから出射されて光学部材２３を透過した青色光の主光線軸とが互いに平行となるように、ＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂの主光線軸及び前記山形状部の角度が調整されている。

図８に示す照明装置１０７はＬＥＤ光源１１２Ｇ，１１２Ｒ，１１２Ｂと、光学部材３３と、角度制御レンズ３４と、を備えて成る。各ＬＥＤ光源１１２は、一つのＬＥＤから成る。光学部材３３は、第１ダイクロイックプリズム部３３ａと第２ダイクロイックプリズム部３３ｂとから成る組を一つ有して成る。一つのＬＥＤ光源１１２Ｂに対して一組のプリズム部３３ａ，３３ｂが対応する。第１ダイクロイックプリズム部３３ａ及び第２ダイクロイックプリズム部３３ｂは共に青色光を透過し他の色光を反射するように設計されている。角度制御レンズ３４は光学部材３３とＬＥＤ光源１１２Ｂとの間に設けられており、光学部材３３から出射される青色光が略平行光となるように、ＬＥＤ光源１１２Ｂから出射された青色光の分散角を制御し、当該制御された青色光を光学部材３３の光入射面に導く。角度制御レンズ３４は回転対称な形状を有する透明部材から成り、中央部の凸状非球面部Ａと周辺側非球面部Ｂと周辺側非球面ミラー部Ｃと中央の凹状非球面部Ｄとから成る。ＬＥＤ光源１１２Ｂからは拡散光（非平行光）が出射される。なお、角度制御レンズ３４として、一般的な平行光化用のレンズ等を備えてもよい。

図９はこの発明にかかる照明装置１００を備えた三板式の投写型映像表示装置を示した説明図である。照明装置１００からは各色光が常時出射される。照明装置１００から出射された白色光は第１ダイクロイックミラー６８へと導かれる。第１ダイクロイックミラー６８は、赤色波長帯域の光を透過し、シアン（緑＋青）の波長帯域の光を反射する。第１ダイクロイックミラー６８を透過した赤色波長帯域の光は、反射ミラー６９にて反射されて光路を変更される。反射ミラー６９にて反射された赤色光はコンデンサレンズ７０を経て赤色光用の透過型の液晶表示パネル８１を透過することによって光変調される。一方、第１ダイクロイックミラー６８にて反射したシアンの波長帯域の光は、第２ダイクロイックミラー７１に導かれる。

第２ダイクロイックミラー７１は、青色波長帯域の光を透過し、緑色波長帯域の光を反射する。第２ダイクロイックミラー７１にて反射した緑色波長帯域の光はコンデンサレンズ７２を経て緑色光用の透過型の液晶表示パネル８２に導かれ、これを透過することによって光変調される。また、第２ダイクロイックミラー７１を透過した青色波長帯域の光は、反射ミラー７４，７６、リレーレンズ７３，７５、及びコンデンサレンズ７７を経て青色光用の透過型の液晶表示パネル８３に導かれ、これを透過することによって光変調される。

各液晶表示パネル８１，８２，８３は、入射側偏光板８１ａ，８２ａ，８３ａと、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入して成るパネル部８１ｂ，８２ｂ，８３ｂと、出射側偏光板８１ｃ，８２ｃ，８３ｃとを備えて成る。液晶表示パネル８１，８２，８３を経ることで変調された変調光（各色映像光）は、クロスダイクロイックプリズム７８によって合成されてカラー映像光となる。このカラー映像光は、投写レンズ７９によって拡大投写され、スクリーン上に投影表示される。

なお、以上の実施形態においては、透過型の液晶表示パネル５を用いたが、これに限るものではなく、反射型の液晶表示パネルを用いてもよいし、或いは、液晶表示パネルに代えて例えば微小ミラーを個別に駆動するタイプの光変調素子を用いても用いてもよいものである。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）に限らず、有機或いは無機のエレクトロルミネッセンスなどを用いてもよい。

この発明の実施形態の照明装置を備えた投写型映像表示装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を示した説明図である。 この発明の実施形態の照明装置を備えた投写型映像表示装置を示した説明図である。 従来の照明装置を示した説明図である。

符号の説明

１００ 照明装置
１０１ 照明装置
１０２ 照明装置
１０３ 照明装置
１０４ 照明装置
１０５ 照明装置
１０６ 照明装置
１０７ 照明装置
５ 液晶表示パネル
６ 投写レンズ
１１ ＬＥＤ光源
１１１ ＬＥＤ光源
１１２ ＬＥＤ光源
１１３ ＬＥＤ光源
１２ 光学部材
１３ 光学部材
２２ 光学部材
２３ 光学部材
１４ インテグレータレンズ

Claims (6)

1. 第１の方向から受けた第１の色光を特定方向に反射する第１の反射部と第２の方向から受けた第２の色光を前記特定方向と平行な方向に反射する第２の反射部とから成る組が鋸歯状を成すように複数配置されており、
   前記第１の反射部及び第２の反射部の少なくとも一方は、第３の方向から入射された第３の色光を透過させて前記特定方向と平行な方向に導くダイクロイックミラーであり、
   前記第１の反射部と前記第２の反射部とが成す頂角は鈍角となるように配置されていることを特徴とする光学部材。
2. 第１の方向から受けた第１の色光を特定方向に反射する第１の反射部と第２の方向から受けた第２の色光を前記特定方向と平行な方向に反射する第２の反射部とから成る組が鋸歯状を成すように複数配置されており、
   前記第１の反射部及び第２の反射部の少なくとも一方は、第３の方向から入射された第３の色光を透過させて前記特定方向と平行な方向に導くダイクロイックプリズムであり、
   前記第１の反射部と前記第２の反射部とが成す頂角は鈍角となるように配置されていることを特徴とする光学部材。
3. 請求項２記載の光学部材において、
   前記ダイクロイックプリズムの前記第３の色光が入射する側に配置され、前記第３の色光を透過させると共に前記第３の色光の進行方向を制御して前記特定方向と平行な方向に導く透明部材を有することを特徴とする光学部材。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光学部材と、第１の色光を出射する第１光源と、第２の色光を出射する第２光源と、第３の色光を出射する第３光源とを備えたことを特徴とする照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置において、前記光源の全て又は一部は複数の固体発光素子が同一平面内に配置された固体発光素子アレイから成ることを特徴とする照明装置。
6. 請求項４または５に記載の照明装置と、前記照明装置からの光を受けるライトバルブと、前記ライトバルブを経ることで得られた映像光を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。

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