JP5097042B2 - 照明光学装置及びそれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば空間光変調素子を照明するために用いられる照明光学装置、及び、その照明光学装置を用いて空間光変調素子を照明し、得られた光学像を投写レンズによりスクリーン上に投写するための投写型表示装置に関する。

大画面映像を表示する方法の１つとして、映像信号に応じた光学像を形成する空間光変調素子を光で照明し、その光学像を投写レンズにより拡大投写する投写型表示装置が知られている。空間光変調素子としては、例えば、液晶パネルやＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）が用いられる。このような投写型表示装置では、投写画像の高輝度化に対する要望が強い。

投写型表示装置において投写画像の明るさを向上させるためには、ランプの消費電力を大きくすれば良い。しかし、十分なランプ寿命を確保しつつ、消費電力を大きくすると、発光体の形状が長く、太くなり、光学系の光利用効率が低下するという問題がある。そこで、比較的消費電力の小さい複数のランプを用いて上記問題を改善し、投写型表示装置の明るさを効率良く向上させることが、知られている。

例えば、特許文献１には、図３に示すような投写型表示装置が開示されている。この装置は、複数のランプを用いた場合に、各ランプの放射光を効率良く集光し、均一性の高い照明光を形成するように照明光学装置を構成したものである。図３は、投写型表示装置の全体構成を示す正面図である。

この投写型表示装置は、ランプ２０ａ、２０ｂ、楕円面鏡２１ａ、２１ｂ、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２２ａ、２２ｂ、平面ミラー２３ａ、２３ｂ、反射プリズム２４、集光レンズ２５、第１レンズアレイ２６、第２レンズアレイ２７、ビーム合成レンズ２８、フィールドレンズ２９、液晶パネル３０、及び、投写レンズ３１から構成される。

ランプ２０ａ、２０ｂには、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等が用いられ、発光中心が楕円面鏡２１ａ、２１ｂの第１焦点近傍に配置される。ランプ２０ａ、２０ｂから放射される光はそれぞれ対応する楕円面鏡２１ａ、２１ｂにより集光され、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ２２ａ、２２ｂで紫外光、赤外光成分が除去された後、平面ミラー２３ａ、２３ｂにより、光路が反射プリズム２４の反射面２４ａ、２４ｂに向かうように折り曲げられる。反射プリズム２４は、楕円面鏡２１ａ、２１ｂの第２焦点近傍に配置される。これにより、反射プリズム２４の反射面２４ａ、２４ｂ近傍には、ランプ２０ａ、２０ｂの集光スポットが形成される。

反射プリズム２４の反射面２４ａ、２４ｂには、アルミニウム膜または誘電体多層膜が蒸着されており、可視光を効率良く反射する。反射プリズム２４で反射される光は発散光であり、集光レンズ２５に入射する。集光レンズ２５としては、例えば、非球面の両凸レンズが用いられ、入射光を略平行光に変換する。

集光レンズ２５からの平行光束は、複数のレンズで構成された第１レンズアレイ２６に入射し、多数の微小光束に分割される。多数の微小光束は、それぞれ複数のレンズで構成された第２レンズアレイ２７の対応するレンズ上に収束し、ランプ２０ａ、２０ｂの多数の像が形成される。第２レンズアレイ２７は、第１レンズアレイ２６と同一の形状を有する。

第２レンズアレイ２７の各矩形レンズは、対応する第１レンズアレイ２６からの微小光束を拡大し、ビーム合成レンズ２８、及びフィールドレンズ２９を介して、液晶パネル面３０を照明する。ビーム合成レンズ２８は、第２レンズアレイ２７の各矩形レンズから出射した光を液晶パネル３０上で重ね合わせるために用いられる。このように、第１レンズアレイ２６の入射光束を多数の微小光束に分割し、それらを拡大して液晶パネル３０上で重ね合わせるので、液晶パネル３０上を良好な均一性で照明することができる。

フィールドレンズ２９は、液晶パネル３０上を照明する光を投写レンズ３１の瞳面に集光する。投写レンズ３１は、液晶パネル３０上に形成される光学像をスクリーン（図示せず）上に投写する。

上記構成によれば、液晶パネルを複数のランプで照明する構成において、各ランプの放射光を効率良く集光し、均一性の高い照明光を形成することができる。

一方、上述のように複数のランプを用いる際に、各ランプからの出射光を合成した後、レンズアレイに代えてロッドインテグレータを用いて、照明光の照度均一性および色均一性を向上させた構成が、特許文献２に開示されている。これについて、図４を参照して説明する。

図４において、光源手段４０は、第１の光源４１ａ及び第２の光源４１ｂにより構成される。第１の光源４１ａは、第１の発光体４２ａと第１の放物面鏡４３ａによって略平行光束４４ａを放射する。第２の光源４１ｂは、第１の光源４１ａと同様に、第２の発光体４２ｂと第２の放物面鏡４３ｂから構成されており略平行光束４４ｂを放射する。それぞれの略平行光束４４ａ、４４ｂが出射する方向が、方位軸４５ａ、４５ｂとして示されている。

光束合成手段４６は、緩やかな曲面からなる２つの光入射面を持つ第１の光学素子４７と、これら光入射面にほぼ密着されて配置された２つの第２の光学素子４８ａ、４８ｂから構成されている。第２の光学素子４８ａ、４８ｂの光入射面は、対応する光源からの入射光が略垂直に入射する平面として構成されている。さらに、第１の光学素子４７の光出射面４９は、光軸５０に垂直な平面である。

第１の光学素子４７からの出射光は、光入射端面と出射端面を持つロッドインテグレータ５１に入射する。ロッドインテグレータ５１からの出射光は、複数種類のレンズ手段から構成される光伝達手段５２に入射する。光伝達手段５２は、ロッドインテグレータ５１からの発散光束を略平行化する第１のレンズ系５３を有する。なお、光伝達手段５２に含まれる他の要素については、図示を省略する。

第１の光源４１ａからの略平行光束は、第２の光学素子４８ａおよび第１の光学素子４７により、ロッドインテグレータ５１の入射点Ｐに向かうように偏向され集光される。この集光作用は第２の光源４１ｂからの略平行光束に対しても同様に生じる。こうして集光された２つの光源からの光束は、所定の角度で入射点Ｐに向かい合成される。

ロッドインテグレータ５１の入射点Ｐに集光された光は、ガラス／空気の界面で複数回の全反射をくり返しながらロッドインテグレータ５１内を伝播し、出射端面において明るさの均一性が高い発光面を再構成する。
特開２０００−３６１２号公報 特開２０００−２５０１３６号公報

上述の特許文献２の例のように、ロッドインテグレータを用いることにより、簡素な構成で均一性が高い発光面を再構成することができるので、複数の光源による投写画面の高輝度化を実現するための構成に有用である。

一方、ロッドインテグレータの入射端の開口は複数の光源を並列して配置させるには小さ過ぎる為、各光源の集光点を入射端面上で一致させることは困難である。これを解決するために特許文献２では光束合成手段４６を用いているが、光束合成手段４６の構成は複雑であり、高精度で製造することは困難である。

これに対して、本発明者らは、図３に示した特許文献１のような、反射プリズム２４とロッドインテグレータにより、複数ランプ２０ａ、２０ｂの放射光を合成する構成を検討した。すなわち、複数ランプの放射光を、図３のように反射プリズム２４により反射させた後、ロッドインテグレータの入射面から入射させる。その場合、特許文献２のように、放射光の焦点位置をロッドインテグレータの入射面に合わせると、プリズムの反射面での反射効率を考えた場合、最適ではないことが判った。

そこで本発明は、複数の光源からの放射光の合成に際して発生する光損失を低減し、明るさの均一性と合成効率を向上させることが可能な照明光学装置を提供することを目的とする。

また、その照明光学装置を用いて、投写画像の高輝度化と明るさの均一性向上を両立することが可能な、複数の光源を用いた投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の照明光学装置は、各々が、発光体および前記発光体からの放射光を反射して集光する凹面鏡を有する複数の光源と、前記複数の光源間の中央部に配置され、前記複数の光源からの光を集光するロッドインテグレータと、前記複数の光源ごとに配置され、前記光源からの光の入射面、前記ロッドインテグレータの入射面に対向する出射面、及び前記入射面および出射面に対して傾斜した反射面を有する複数の三角プリズムとを備え、前記複数の三角プリズムは、前記複数の光源からの光をそれぞれ前記ロッドインテグレータの入射面に導くとともに、前記凹面鏡によりそれぞれ集光される前記複数の光源からの光の焦点は、前記三角プリズムの入射面と反射面とを含む間に位置することを特徴とする。

上記構成によれば、光源からの放射光を、簡素な構成の三角プリズムにより効率良く、ロッドインテグレータの入射面まで伝播させることができる。従って、光源からの放射光をロッドインテグレータに導く際の効率がよく、数の光源からの放射光の合成に際して発生する光損失を低減し、光出力の大きな照明光学装置を得ることが可能であり、これを用いて明るい投写型表示装置を実現できる。

本発明は、上記構成を基本として以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記凹面鏡により各々集光される前記複数の光源からの光の焦点は、前記三角プリズムの前記反射面に位置することが好ましい。

また、前記三角プリズムからの出射光の光軸が前記ロッドインテグレータの光軸と平行であることが好ましい。

また、前記三角プリズムの前記入射面は、前記ロッドインテグレータの側面と同一面上に位置していることが好ましい。

また、前記凹面鏡として楕円面鏡が用いられることが好ましい。

本発明の投写型表示装置は、上記いずれかの構成の照明光学装置と、前記ロッドインテグレータからの出射光を集光して照明光を形成する光学系と、前記照明光が入射され映像信号に応じた入射光の変調を行う空間光変調素子と、前記空間光変調素子で変調された光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備えた構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態１における照明光学装置を備えた投写型表示装置を示す断面図である。照明光学装置は、２つの光源１ａ、１ｂ、三角プリズム２ａ、２ｂ、及びロッドインテグレータ３により構成される。この照明光学装置に、カラーホイール４、リレーレンズ５、フィールドレンズ６、空間光変調素子の一例としての液晶パネル７、及び投写レンズ８を加えて、投写型表示装置が構成される。

２つの光源１ａ、１ｂはそれぞれ、ランプ９、楕円面鏡１０、及び球面鏡１１を備えている。ランプ９としては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等を用いることができる。楕円面鏡１０及び球面鏡１１の組み合わせにより、ランプ９の放射光を効率よく集光する。

楕円面鏡１０の反射面には、例えば、可視光を効率よく反射し、赤外光を透過する誘電体多層膜１２が形成されており、ランプ９から放射される光のうち、可視光成分を効率よく所望の方向に反射する。ランプ９は、発光中心１３が、楕円面鏡１０の第１焦点と概ね一致するように配置される。これにより、光源の大きさに比例した集光スポットが楕円面鏡１０の第２焦点近傍に形成され、ランプ９の放射光を効率よく集光することができる。

球面鏡１１は、ランプ９の発光中心１３に対して、楕円面鏡１０と同じ側に設けられている。球面鏡１１の中心は、発光中心１３と概ね一致するように配置され、ランプ９の放射光のうち放射角９０度の範囲の光を反射する。これにより、ランプ９の放射光のうち、球面鏡１１に入射した光は反射されて楕円面鏡１０に入射する。

楕円面鏡１０は、ランプ９の放射光から誘電体多層膜１２により紫外光、赤外光成分を除去し、集光して三角プリズム２ａ、２ｂに入射させる。三角プリズム２ａ、２ｂは、反射面１４ａ、１４ｂにより入射光を反射してロッドインテグレータ３に入射させる。ロッドインテグレータ３は、例えば、ガラスロッドからなる。図１における三角プリズム２ａ、２ｂ、およびロッドインテグレータ３の入射面の近傍を拡大して、図２に示す。三角プリズム２ａ、２ｂは、光源１ａ、１ｂからの光の入射面１５ａ、１５ｂ、ロッドインテグレータ３の入射面３ａに対向する出射面１６ａ、１６ｂ、およびそれらに対して傾斜した反射面１４ａ、１４ｂを有する。

三角プリズム２ａ、２ｂの入射面１５ａ、１５ｂは、ロッドインテグレータ３の側面と同一面上に位置するように構成されることが望ましい。それにより、反射面１４ａ、１４ｂからの反射光が入射面１５ａ、１５ｂに戻るような光束に対して、入射面１５ａ、１５ｂが、ロッドインテグレータ３の入射面３ａに導く効率のよい反射面として機能することができる。

三角プリズム２ａ、２ｂの出射面１６ａ、１６ｂは、ロッドインテグレータ３の入射面３ａに密接して配置されている。また、三角プリズムからの出射光の光軸は、前記ロッドインテグレータの光軸と略平行になるように調整されることが望ましい。そのため、本実施の形態では、反射面１４ａ、１４ｂは、ロッドインテグレータ３の光軸１７に対して成す角度θは、４５度に調整されている。楕円面鏡１０により各々集光される光源１ａ、１ｂからの光の焦点は、三角プリズム２ａ、２ｂの反射面１４ａ、１４ｂに位置するように調整される。

上記構成により、光源１ａ、１ｂの放射光をロッドインテグレータ３に導いて合成する。すなわち、光源１ａ、１ｂのランプ９から放射される光は、楕円面鏡１０により集光されて、三角プリズム２ａ、２ｂの反射面１４ａ、１４ｂに集光スポットを形成する。集光スポットは反射面１４ａ、１４ｂにより反射され、出射面１６ａ、１６ｂを通って、ロッドインテグレータ３に入射する。ロッドインテグレータ３に入射した光は、ガラス／空気の界面で複数回の全反射をくり返しながらロッドインテグレータ３内を伝播し、出射端面において明るさの均一性が高い発光面を再構成する。

ロッドインテグレータ３から出射した光は、カラーホイール４を通過することにより色分割される。カラーホイール４は、３原色のうち、各々１色のみを透過する３種類のカラーフィルタを組み合わせて構成したものである。カラーホイール４によって、光源１ａ、１ｂから出力される白色光は、赤・緑・青の３原色に時分割される。カラーホイール４を通過した光は、リレーレンズ５、フィールドレンズ６を介して、液晶パネル７に照射される。カラーホイール４を回転させることによって、赤・緑・青の３原色の光が順次、液晶パネル７上に時分割で照射されるので、１つの空間光変調素子（液晶パネル７）を用いて、フルカラーの投写画像を表示できる。

フィールドレンズ６は、液晶パネル７に照射される光を投写レンズ８の瞳面に集光する。投写レンズ８は、液晶パネル７上に形成される光学像をスクリーン（図示せず）上に投写する。

上述のとおり、光源１ａ、１ｂからの放射光の焦点は、三角プリズム２ａ、２ｂの反射面１４ａ、１４ｂに位置し、焦点近傍に形成される集光スポットからの発散光は、効率良くロッドインテグレータ３の入射面３ａに向けて反射される。従って、特許文献１におけるような、反射プリズムの反射面での反射効率の不十分さに起因する、複数の光源からの放射光の合成に際して発生する光損失を回避することができ、明るさの均一性と合成効率を向上させることが可能である。

なお、図では、光源１ａ、１ｂからの放射光の焦点を、三角プリズム２ａ、２ｂの反射面１４ａ、１４ｂに位置させた状態が示されているが、特に制限はない。ただし、三角プリズム２ａ、２ｂの入射面から反射面の間であれば、より効果的である。

なお、上記実施の形態では、２つの光源を用いた例を示したが、三角プリズムの配置を変更すること等により、更に多くの光源の光を合成する構成にも同様に、本発明の構成を適用できる。

本発明の照明光学装置は、複数の光源からの放射光の合成に際して発生する光損失を低減し、明るさの均一性と合成効率を向上させることが可能であって、投写型表示装置等に有用である。

本発明の一実施の形態における照明光学装置を備えた投写型表示装置を示す断面図 同照明光学装置の要部を示す断面図 従来例の投写型表示装置を示す断面図 他の従来例の投写型表示装置を示す断面図

符号の説明

１ａ、１ｂ 光源
２ａ、２ｂ 三角プリズム
３ ロッドインテグレータ
３ａ 入射面
４ カラーホイール
５ リレーレンズ
６、２９ フィールドレンズ
７、３０ 液晶パネル
８、３１ 投写レンズ
９、２０ａ、２０ｂ ランプ
１０、２１ａ、２１ｂ 楕円面鏡
１１ 球面鏡
１２ 誘電体多層膜
１３ 発光中心
１４ａ、１４ｂ 反射面
１５ａ、１５ｂ 入射面
１６ａ、１６ｂ 出射面
１７ 光軸
２２ａ、２２ｂ ＵＶ−ＩＲカットフィルタ
２３ａ、２３ｂ 平面ミラー
２４ 反射プリズム
２４ａ、２４ｂ 反射面
２５ 集光レンズ
２６、２７ 第１、第２レンズアレイ
２８ ビーム合成レンズ
４０ 光源手段
４１ａ、４１ｂ 第１、第２の光源
４２ａ、４２ｂ 第１、第２の発光体
４３ａ、４３ｂ 第１、第２の放物面鏡
４４ａ、４４ｂ 略平行光束
４５ａ、４５ｂ 方位軸
４６ 光束合成手段
４７ 第１の光学素子
４８ａ、４８ｂ 第２の光学素子
４９ 光出射面
５０ 光軸
５１ ロッドインテグレータ
５２ 光伝達手段
５３ 第１のレンズ系

Claims (2)

1. 各々が、発光体および前記発光体からの放射光を反射して集光する凹面鏡を有する複数の光源と、
   前記複数の光源間の中央部に配置され、前記複数の光源からの光を集光するロッドインテグレータと、
   前記複数の光源ごとに配置され、前記光源からの光の入射面、前記ロッドインテグレータの入射面に対向する出射面、及び前記入射面および出射面に対して傾斜した反射面を有する複数の三角プリズムとを備え、
   前記複数の三角プリズムは、前記複数の光源からの光をそれぞれ前記ロッドインテグレータの入射面に導くとともに、
   前記凹面鏡によりそれぞれ集光される前記複数の光源からの光の焦点は、前記三角プリズムの入射面と反射面とを含む間に位置することを特徴とする照明光学装置。
2. 請求項１記載の照明光学装置と、
   前記ロッドインテグレータからの出射光を集光して照明光を形成する光学系と、
   前記照明光が入射され映像信号に応じた入射光の変調を行う空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子で変調された光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする投写型表示装置。

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