JPH11142780A

JPH11142780A - 光源装置及び投写型表示装置

Info

Publication number: JPH11142780A
Application number: JP9310434A
Authority: JP
Inventors: Shinji Okamori; 伸二岡森; Shinsuke Shikama; 信介鹿間
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 1999-05-28
Also published as: US6139156A

Abstract

(57)【要約】【課題】所望の平行度をもつ光束によって被照明領域
を均一に照明できる光源装置、及び投写画像の輝度ムラ
が小さくかつ高輝度の投写型表示装置を実現する。【解決手段】ランプ１１の出射光を部分テーパーロッ
ド１３の入射端面１３Ｆに集光照射し、部分テーパーロ
ッド１３内の全反射光により出射端面１３Ｂを均一照射
する。出射端面１３Ｂの像をリレーレンズ１４でライト
バルブ２の面に結像し、透過光を投写レンズ３により拡
大投写する。また、ライトバルブ２の直前にフィールド
レンズ１５を配置し、ライトバルブ照明光Ｌ３を平行化
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの集光光
束の広がり角を制御し、矩形領域を均一かつ高照度で照
射できる光源装置、及びこの光源装置を適用した投写型
表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０はＵＳＰ５，６３４，７０４に開
示された従来の柱状光学素子とライトバルブを用いた投
写型表示装置を示す構成図である。図において、２は透
過型ライトバルブ、３は投写レンズ、４はスクリーン、
１１はランプ、１２は楕円鏡、１３０はロッドインテグ
レータ、１４はリレーレンズ、１５はフィールドレン
ズ、Ｌ１はランプ１１から出射し楕円鏡１２によって集
光された照明光束である。

【０００３】次に動作について説明する。ランプ１１の
発光中心は楕円鏡１２の第１焦点近傍に配置され、ラン
プより出射する光束は楕円鏡１２で反射された後第２焦
点に集光される。ロッドインテグレータ１３０の入射端
面はこの集光点の近傍（楕円鏡１２の第２焦点近傍）に
配置されており、後述するようにロッドインテグレータ
内で全反射した光束は出射端１３０Ｂより出射する。１
４は出射端１３０Ｂの像を被照明領域Ｔ１上に形成する
ように配置したリレーレンズであり、この共役関係を図
中に破線で示した。Ｓ１面に形成される楕円鏡１２によ
る光源像から図中右方向に進む光線は、実線で示したよ
うにリレーレンズ１４を透過して、被照射領域に至る手
前の面Ｓ２で２次光源像を形成後発散光線となる。フィ
ールドレンズ１５はこの２次光源像近傍に焦点位置を有
しており、かつ被照射面の近傍に配置されている。フィ
ールドレンズ１５の作用によって、図中実線で示す光線
は平行照明光Ｌ４に変換されて被照射領域Ｔ１を照射す
る。

【０００４】透過型ライトバルブ２の面内には特に図示
しない駆動回路から出力される電気信号によって画像が
表示される。透過型ライトバルブ２を透過した光束Ｌ５
はさらに投写レンズ３を透過して投写光Ｌ６となり、ス
クリーン４上に拡大画像が形成され鑑賞に供される。な
お公知のように、投写レンズ３が非テレセントリック系
の場合には、ライトバルブ２の直後（投写レンズ３側、
図示省略）、もしくは直前（ランプ１１側）に適宜フィ
ールドレンズが配置され、照明光Ｌ５のレンズ３への入
射効率が高められる場合がある。

【０００５】図１１は従来のロッドインテグレータ１３
０の動作を説明する断面図である。収束光Ｌ１は端面１
３０Ｆ近傍で集光点１３０Ｃに集光し、ロッドインテグ
レータ１３０内に入射する。図では簡単の為、図中の座
標系でｙ−ｚ断面内の光線についてのみ示した。入射光
線は側面１３０Ｔ及び１３０Ｕで適宜全反射されるが、
もしくは直接右側に進行して端面１３０Ｂに到達する。
側面１３０Ｔ、１３０Ｕで全反射された光束は、全反射
された面の組み合わせに応じて、端面１３０Ｆを含む面
内の虚光源点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４等から発せられた
光線のように出射端面１３０Ｂを重畳照射する。この結
果、端面１３０Ｂはその面内が均一性よく照明される。
なお、ロッドインテグレータ１３０は四角柱状であり、
図１０と同じくｘｚ断面内においても他の２側面で全反
射された光が端面１３０Ｂを重畳照射する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、ロッド
インテグレータを用いてライトバルブを照明する照明光
学系では、ロッドインテグレータの出射端面像をリレー
光学系によってライトバルブ上に結像させるところに特
長がある。よってロッドインテグレータの長さが十分で
あれば、入射側では不均一な照度分布であっても、出射
側では均一性に優れかつ所望の照明領域とほぼ等しい形
状の照明光束が得られ、これをライトバルブ上へ導くこ
とで光源光の利用効率も向上させることができる。ある
いは厳密な結像光学系によれば色収差の少ない、非常に
高透過率の照明光学系を実現することもできる。

【０００７】さて、ロッドインテグレータを用いたライ
トバルブ照明系についてさらに詳しく述べる。図１２ａ
において、１０１は光源像、２０１被照明領域、１００
１は照明光学系である。また、Ｓ１は光源像１０１の面
積、Ω１は光源像１０１から出射する光束の全立体角、
Ｓ２は被照明領域２０１の面積、Ω２は被照明領域２０
１を透過する光束の全立体角とする。今、照明光学系１
００１による損失がないと仮定すれば、照明光学系の前
後で照明（光源）領域の面積と照明（光源）光の立体角
の積が一定となることは公知である。すなわち、（１）
式が成り立つ。Ｓ１×Ω１＝Ｓ２×Ω２ …（１）が成り立つ。図ではＳ１＜Ｓ２の場合を示しており、Ω
１＞Ω２となる。

【０００８】一方、従来の四角柱状ロッドインテグレー
タ１３０を用いると、図１２ｂに示されるように光源像
１０１から出射する光束の全立体角Ω１とロッドインテ
グレータ１３０を出射する光束の全立体角は等しくな
る。なお、図では光源像１０１とロッドインテグレータ
１３０の入射面位置が異なるように描いているが、実際
には両者の位置を一致させるようにする。（Ｓ１＞Ｓ
１’）また、一般には光学系の容量やライトバルブの制
限からＳ１’＜Ｓ２となる場合が多く、さらにライトバ
ルブの表示性能や色分離合成光学系、及び投写レンズ系
の要求からΩ２は小さいほど都合が良い場合が多い。式
（１）によればΩ２を小さくする場合にはＳ２をＳ１’
に比べて大きくすれば良いが、Ｓ２はライトバルブとほ
ぼ同じ大きさにすべきであり変更は困難である。一方、
Ｓ１’を小さくし拡大倍率を上げることは光源光の利用
率を制限することになるので好ましくない。光源の集光
方法によれば光源像Ｓ１を小さくしてＳ１’に対して相
対的な光利用効率を増大させることもできるが、これは
一般的にΩ１を増大させるという副作用がある。結局、
Ω２を低減させるにはΩ１が小さくなるような工夫を照
射光学系１００１以前に行なう必要があるが、従来のロ
ッドインテグレータ１３０は光源光の角度分布を保存し
て伝達するため、Ω１を小さくするために光源側でＳ１
を大きくせざるを得ず、光利用効率を犠牲にしていた。

【０００９】一方、ライトバルブの大きさは光学系ある
いはこれを用いた表示装置全体の体積削減等の理由で小
形化されてきており、Ｓ２が減少する方向にある。Ｓ
１’＞Ｓ２となる照明光学系１００１が縮小光学系とな
り、式（１）によればΩ１に対してさらに厳しい条件と
なる。よって、面積Ｓ２が小さくなり、求められる立体
角Ω２が小さくても効率よくライトバルブを照明するた
めには、照明光学系１００１が拡大系となること、かつ
光源側のＳ１とΩ１が見かけ上小さくなることが望まし
いが、後者は従来のロッドインテグレータ１３０では不
可能であった。結果として、光学系の効率を保つために
は、Ω２を大きくせざるを得ず、投写レンズのコスト上
昇や、コントラスト、色再現性の劣化といった問題が生
じていた

【００１０】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、光源からの集光光束の広がり角
を制御し、被照射領域を均一かつ高効率、高照度で照射
できる光源装置を提供することを目的とする。

【００１１】また、光源からの集光光束の広がり角を制
御し、矩形領域を均一かつ高効率、高照度で照射できる
光源装置を提供することを目的とする。

【００１２】また、矩形領域を均一な平行光束で高効率
かつ高照度で照射できる光源装置を提供することを目的
とする。

【００１３】さらに、ライトバルブ内の画像表示領域を
広がり角の小さな光束で均一かつ高効率、高照度で照射
できる投写型表示装置を提供することを目的とする。

【００１４】また、矩形領域を均一かつ高効率、高照度
で照射できる投写型表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】また、ライトバルブ内の画像表示領域をこ
れと相似な断面形状の照明光束で均一かつ高照度で照射
できる投写型表示装置を提供することを目的とする。

【００１６】また、ライトバルブ内の画像表示領域をこ
れと略同等以上の大きさの照明光束で均一かつ高効率で
照射できる投写型表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１７】また、矩形領域を均一な平行光束で高効率
かつ高照度で照射できる投写型表示装置を提供すること
を目的とする。

【００１８】また、矩形領域を均一かつ高効率、高照度
で照射し、ライトバルブで変調された光束を効率よく投
写レンズに入射させ、拡大投写でき投写型表示装置を提
供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光源装置に
おいては、ランプと、ランプからの出射光を収束する集
光手段、一対の入射端面と出射端面を有し、かつテーパ
ー部と平行柱状部を有する柱状光学素子、この柱状光学
素子からの出射光を被照明面へ導くレンズ手段により構
成したものである。

【００２０】また、柱状光学素子は入射端面と出射端面
が共に矩形であり、柱状光学素子内に入射する光束を側
面で全反射して出射端面に導くよう構成したものであ
る。

【００２１】また、第２のレンズ手段が被照射面の手前
近傍に配置され照明光束を平行化するよう構成したもの
である。

【００２２】また、本発明に係る投写型表示装置におい
ては、ランプと、ランプからの出射光を収束する集光手
段、一対の入射端面と出射端面を有し、かつテーパー部
と平行柱状部を有する柱状光学素子、この柱状光学素子
からの出射光を被照明面へ導くレンズ手段、被照明面で
あり面内に画像を形成するライトバルブ、このライトバ
ルブの表示画像を拡大投写する投写レンズにより構成し
たものである。

【００２３】また、柱状光学素子は出射端面が矩形であ
り、柱状光学素子内に入射する光束を側面で全反射して
出射端面に導くよう構成したものである。

【００２４】また、柱状光学素子は出射端面が矩形であ
り、柱状光学素子内に入射する光束を側面で全反射して
出射端面に導き、この出射端面の形状がライトバルブの
画像表示領域の形状と相似になるよう構成したものであ
る。

【００２５】また、第１のレンズ手段が柱状光学素子の
出射端面の像をライトバルブ近傍で結像し、この像の大
きさがライトバルブの画像表示領域の大きさと略同等以
上となるように構成したものである。

【００２６】また、第２のレンズ手段がライトバルブの
入射側近傍に配置され、ライトバルブ照明光束を略平行
化するよう構成したものである。

【００２７】また、ライトバルブ近傍に配置された第３
のレンズ手段が第１のレンズ手段によって形成されたラ
ンプ像を投写レンズの入射瞳の近傍に再結像するよう構
成したものである。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態である光源装
置においては、柱状光学素子のテーパー部側面のテーパ
ー角によってランプからの出射光束の広がり角を制御
し、被照明面を均一かつ高照度で照明するように働く。

【００２９】また、柱状光学素子の出射端面が矩形であ
ることより、ランプ像から第１のレンズ手段により矩形
の領域を照明するように働く。

【００３０】また、第２のレンズ手段が照明光束を略平
行化するように働く。

【００３１】また、本発明の実施の形態である投写型表
示装置においては、柱状光学素子のテーパー部側面のテ
ーパー角によってランプからの出射光束の広がり角を制
御し、ライトバルブ内に形成された画像表示領域を均一
かつ高照度で照明するように働く。

【００３２】また、柱状光学素子の出射端面が矩形であ
ることにより、第１のレンズ手段によりライトバルブの
画像表示領域を矩形の照明光束で照明するように働く。

【００３３】また、ライトバルブの画像表示領域の形状
と相似な矩形状の照明光束を得るように働く。

【００３４】また、第１のレンズ手段が柱状光学素子の
出射端面の像をライトバルブ近傍で結像し、この像の大
きさがの大きさと略同等以上となるように働く。

【００３５】また、第２のレンズ手段がライトバルブの
入射側近傍に配置され、ライトバルブ照明光束を略平行
化するよう働く。

【００３６】また、ライトバルブ近傍に配置された第３
のレンズ手段が第１のレンズ手段によって形成されたラ
ンプ像を投写レンズの入射瞳の近傍に再結像するように
働く。

【００３７】実施の形態１．図１は本発明の実施の形態
１である光源装置、およびこれを用いた投写型表示装置
を示す構成図である。図において、１は光源装置であ
り、ランプ１１、楕円鏡１２、部分テーパーロッド１
３、リレーレンズ１４、フィールドレンズ１５により構
成されている。また、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２は各々ランプ像
形成面であり、Ｌ１はランプ１１から出射され、楕円鏡
１２で集光された収束光束、Ｌ２は部分テーパーロッド
１３を出射した発散光束、Ｌ３はリレーレンズ１４にて
収束され、Ｓ２面以降再び発散する光束、Ｌ４はフィー
ルドレンズ１５により略平行化された光束である。

【００３８】次に動作について説明する。ランプ１１の
発光中心は楕円鏡１２の第１焦点近傍に配置され、ラン
プより出射する光束は楕円鏡１２で反射された後、第２
焦点近傍に集光される。部分テーパーロッド１３の入射
端面はこの集光点の近傍に配置されており、後述するよ
うに部分テーパーロッド内で全反射した光束は出射端１
３Ｂより出射する。１４は出射端１３Ｂの像を被照射面
Ｔ１（図中斜線部分）上に形成するように配置したリレ
ーレンズであり、この共役関係を図中に破線で示した。
部分テーパーロッド１３を出射した光束Ｌ２（実線）
は、リレーレンズ１４を透過して、被照射面Ｔ１に至る
手前の面Ｓ２で２次光源像を形成後発散光線となる。フ
ィールドレンズ１５はこの２次光源像近傍に焦点位置を
有しており、かつ被照射面の近傍に配置されている。フ
ィールドレンズ１５の作用によって、図中実線で示す光
線Ｌ３は平行照明光Ｌ４に変換されて被照射面Ｔ１を照
射する。

【００３９】なお、フィールドレンズ１５は被照射面Ｔ
１の近傍に配置されているので、リレーレンズ１４の破
線で示した共役関係には殆ど影響を与えない。以上の説
明から明らかなように、ランプ１１の発光面Ｓ０と楕円
鏡１２の第２焦点面Ｓ１、リレーレンズ１４後のＳ２面
は互いに共役面であり、ランプ像が形成されている。ま
た、被照射面Ｔ１と部分テーパーロッド１３の出射端面
内の面Ｔ０は共役であり、被照射面Ｔ１には端面１３Ｂ
の形状に相似な断面形状の照明光束が照射される。

【００４０】図２は部分テーパーロッドの動作を説明す
る断面図である。部分テーパーロッド１３はテーパー部
１３１と平行柱状部１３２からなる。収束光Ｌ１は端面
１３Ｆ近傍で集光点２５に集光し、部分テーパーロッド
１３内に入射する。図では簡単化のため、図中の座標系
でｙ−ｚ断面内の光線についてのみ示した。入射光線は
テーパー部側面１３ＴＴおよび１３ＴＵ、および平行柱
状部側面１３Ｔ、１３Ｕで適宜全反射されるか、もしく
は直接右側に進行して端面１３Ｂに到達する。各側面で
全反射された光束は、全反射された面の組み合わせに応
じて、端面１３Ｆを含む面内の虚光源点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ
３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６等から発せられた光線のように出
射端面１３Ｂを重畳照射する。この結果、端面１３Ｂは
その面内が均一性よく照明される。なお、図２と同じく
ｘｚ断面内においても他の４側面（図４の１３ＴＬ、１
３ＴＲ、１３Ｌ、１３Ｒ）で全反射された光が端面１３
Ｂを重畳照射する。

【００４１】また、図３ａは図２と同様の部分テーパー
ロッド１３の断面図である。図２と同様、図中の座標系
でｙ−ｚ断面内の光線についてのみ示した。テーパーロ
ッド長ＬＡは入斜面から出射面へ直接出射する光束Ｒ１
の最大出射角がα１となるように決定することができ
る。一方、平行部の長さＬＰは、たとえば部分テーパー
ロッドを保持するのに必要な最小限の長さとすればよ
く、残りがテーパー部の長さＬＴとなる。というのは、
側面の全反射を最大限利用するためには保持手段と部分
テーパーロッドの接触面積を最小限にする必要がある。
また、保持手段が部分テーパーロッドの入出射端面を遮
るのを避けかつその位置が動かないように確実に保持す
るためにはテーパー部だけを保持するよりも平行柱状部
を保持するのが好適だからである。

【００４２】一方、テーパー部長さＬＴが決まれば、テ
ーパー角βは、 β＝tan^-1 {（H2−H1）／（2・LT）} … （２）となる。この時テーパー面で反射する光束は、ロッド内
部の角度において角度２・βだけ平行度が向上すること
になる。図３ｂは図３ａの入射端面付近のテーパー部
（図中円内）を拡大したものである。空気中に置かれた
ロッドへの入射角α1 に対する屈折角をθin、テーパー
部への入出射角をθTとすれば、 sinα1＝ng・sin（θT＋β）＝ng・sinθin …（３）となる。ただしngはロッドを形成する媒質の屈折率であ
る。一方、Ｒ２に関して平行柱状部では入射角と出射角
はθT−βで等しいので、 sinα2＝ng・sin（θT−β）＝ng・sin（θin−2β） …（４）例えば、ng＝1.46、α1＝30°とすると、 θin＝sin^-1（sinα1／ng）＝sin^-1（0.5／1.46）≒20° …（５）よってテーパー角を２°とすると、 α2＝sin^-1（1.46・sin16°）≒23.8° … (６) となる。

【００４３】図４ａは、部分テーパーロッド１３ａの斜
視構造図である。図中の面１３ＴＴ、１３ＴＵ、１３Ｔ
Ｒ、１３ＴＬがテーパー部の全反射用の側面、面１３
Ｔ、１３Ｕ、１３Ｒ、１３Ｌが平行柱状部の全反射用の
側面、１３Ｆ、１３Ｂはそれぞれ入射端面、出射端面で
ある。図のように部分テーパーロッドは矩形断面の透明
光学素子であり、出射端面の寸法Ｈ２、Ｗ２は被照射面
の縦：横と略同一の寸法比Ｈ２：Ｗ２とするのが望まし
い。これは図１の被照射面Ｔ１を照射する光束Ｌ３の断
面形状がリレーレンズ１４により端面１３Ｂと相似な共
役像とされる為である。例えば、後述のライトバルブを
用いた投写型表示装置においてライトバルブの画像表示
領域が３：４、４：５、９：１６等の縦：横比を有して
いる場合には、図４のＨ２、Ｗ２を各々Ｈ２：Ｗ２＝
３：４、４：５、９：１６程度の長方形に設定すると照
明効率が最適化される。各側面１３ＴＬ〜１３ＴＵ、１
３Ｌ〜１３Ｕは全反射に支障のないように鏡面仕上げす
ることが必要である。

【００４４】一方、入射端面の寸法Ｈ１、Ｗ１は前述の
テーパー角βがｙｚ断面とｘｚ断面で等しくなるように
すれば、部分テーパーロッド出射後の光束について水平
方向と垂直方向で等しい光束平行度を得ることができ
る。この場合、寸法Ｈ１、Ｗ１の比率は出射側のＨ２、
Ｗ２の比率とは異なり、より水平方向に長い矩形形状と
なる。言い換えればこのＨ１とＷ１の長さと比率を変え
ることにより水平方向と垂直方向に対して任意の平行度
をもつ光束を得ることが可能となる。例えば、Ｈ２＝１
５．２４ｍｍ、Ｗ２＝２０．３２ｍｍ、ＬＴ＝３０ｍｍ
の場合、Ｈ１≒１３．１４ｍｍ、Ｗ１≒１８．２２ｍｍ
とすればテーパー角は水平、垂直ともに２°となり、両
方向とも同じ光束平行度を得ることができる。

【００４５】光束平行度が上下左右で異なっても構わな
い場合には図４ｂに示すように入射端面１３Ｆを正方形
（Ｈ３＝Ｗ３）にすれば光源との結合効率を向上させる
ことができる。図において１３ｂは入射端面１３Ｆの形
状が正方形である部分テーパーロッド、その他の記号は
図４ａと同様であるので説明を省略する。例えばＨ２＝
１５．２４ｍｍ、Ｗ２＝２０．３２ｍｍ、ＬＴ＝３０ｍ
ｍで、Ｈ３＝Ｗ３＝１０ｍｍとすると、前述の（２）式
より１３ＴＲおよび１３ＴＬによるテーパー角は約９．
７６°、１３ＴＴ、１３ＴＵによるテーパー角は約４．
９９°となる。なお、端面１３Ｆ、１３Ｂは公知の誘電
体薄膜よりなる無反射コーティングを施すと一層照明光
束を増加できる。部分テーパーロッド１３ａ、１３ｂは
照明光束の波長領域に対して透明なガラス材料、プラス
チック材料等で作成する。なお、部分テーパーロッド１
３ａ、１３ｂと等しい内面形状を有し、全反射ではなく
鏡面反射により光束を導く中空の形態を取ることも可能
である。この場合、ガラスやプラスチック、金属などを
材料として用いることができ、内面にはアルミや銀など
の金属コーティング、誘電体多層膜などを形成すること
が望ましい。

【００４６】さらに、図５ａに示すように入射端面の形
状は楕円形であっても良い。図において１３３ａは入射
端面が楕円形の部分テーパーロッド、１３３Ｆ、１３３
Ｂはそれぞれ入射および出射端面、１３３Ｌ〜１３３Ｕ
は図４ａの１３Ｌ〜１３Ｕと同じ平行柱状部の側面であ
る。図４ａの場合と同様にして、長軸長さ２ａ、短軸長
さ２ｂの楕円からなる入射端面１３３Ｆと相似形状であ
る底面を有する楕円錘体を考え、この楕円錐体の斜面に
よって出射端面の寸法がＨ２：Ｗ２の矩形である四角柱
を削り取るようにすれば、図５ａの形状を得ることがで
きる。

【００４７】テーパー角を方向によらず一定にするに
は、図５ｂに示すように入射端面１３３Ｆの形状を円形
とし、円錐体の斜面により四角柱を切り取るような形状
とすれば良い。この場合、図に示すように上面１３３
Ｔ、下面１３３Ｕの面積が、側面１３３Ｒ、１３３Ｌの
面積よりも大きくなり、上下左右でテーパー面による全
反射作用の効果に差が生じる可能性が大きくなる。しか
し、入射端面の形状を楕円あるいは円形とすれば光源光
束との整合性は良いので結合効率が高くなる可能性が大
きい。

【００４８】また、ランプ１１からの放射光を集光する
手段として、本実施の形態１では楕円鏡１２を用いた
が、代わりに放物面鏡とコンデンサーレンズを組合わせ
た集光光学系を用いることも勿論可能である。図６に放
物面鏡とコンデンサーレンズを組合わせた集光光学系を
示す。この場合、放物面鏡１２０によって平行化された
ランプ出射光束をコンデンサーレンズ１６によって集光
し、最も光源像が小さくなる面と部分テーパーロッド１
３の入射端面１３Ｆを一致させるように配置すればラン
プからの光を効率よく利用することができる。リレーレ
ンズ１４についても同様で、本実施の形態のように部分
テーパーロッド１３の出射端面像を被照明面上へ結像さ
せるリレーレンズ１４を１枚に限る必要はなく、これを
組合わせレンズ系とすることでより収差が補正されたリ
レー光学系を構成することが可能となる。勿論、これら
の光学素子の両面に無反射コーティングを施し高透過率
の光学系を構築できることは言うまでもない。いずれに
しても部分テーパーロッド１３もしくは１３３を用いる
ことにより、後段のリレーレンズ系のＮＡを小さくする
ことが可能となり、径方向の大きさを軽減できることは
プロジェクタの光学設計上有利な条件となる。

【００４９】なお、本実施の形態では部分テーパーロッ
ドの出射端面１３Ｂの形状が矩形の場合について説明し
た。しかし、矩形の断面以外でも、被照射領域の形状に
応じてこれと相似な形状の出射断面とすれば本発明の主
旨である所望の領域とほぼ等しい形状の均一な照明光束
が得られる効果には変わりない。例えば、正６角形の領
域を照明したい場合には少なくとも部分テーパーロッド
の出射端面１３Ｂの形状を正６角形とすればよいし、円
形の領域を照射したい場合には同様に出射断面が円形の
円柱状のロッドとすればよい。この場合、平行柱状部の
側面形状は出射端面の形状に応じた形、例えば正６角形
の場合は６つの側面、円形の場合は円筒状となることは
言うまでもない。

【００５０】実施の形態２．実施の形態１の光源装置と
共通の図１によって、実施の形態２による投写型表示装
置につき説明する。図において、１は前述の光源装置で
あり、２は画像形成用の透過型ライトバルブ、３は投写
レンズである。１０はこれらから構成される投写型表示
装置であり、ホルダー類や筐体、その他の構成要素は図
示を省略した。光源装置１から出射した照明光束Ｌ４は
透過型ライトバルブ２に入射し、画像表示領域Ｔ１が照
明される。透過型ライトバルブ２を透過した透過光Ｌ５
は投写レンズ３に入射し投写光Ｌ６としてスクリーン上
に拡大画像（図示省略）が形成される。

【００５１】本実施の形態２と従来の投写型表示装置を
示す図１０との違いは部分テーパーロッド１３にある
が、前述の通りこれを用いることによって楕円鏡１２に
よる収束光束の角度を小さくすることができ、後段のリ
レーレンズ１４の径を抑えることが可能となる。これに
より長焦点でＮＡの小さなリレーレンズを用いることが
でき、光学設計上、すなわち収差補正の観点から緩やか
な条件でリレー光学系を構築することが可能となる。ま
た、部分テーパーロッド１３を用いることにより、ライ
トバルブ２をこれと同等以上の大きさの相似形状を有す
る照明光束で照明することができ、均一で高照度の画像
を投写する高効率の投写型表示装置を提供することがで
きる。また、照明光束の平行度が高くなれば明るさ、均
一性以外にも投写画像のコントラストが向上し、各光学
素子において光線入射角に依存する特性も改善される。

【００５２】実施の形態３．実施の形態３を図７により
説明する。図７は本発明の実施の形態３である投写型表
示装置の光学系の構成図である。図において、３は投写
レンズ、４はスクリーン、１１はランプ、１２は楕円
鏡、１３は部分テーパーロッド、１４はリレーレンズ、
１５Ｒ、１５Ｂ、１５Ｇは第１のフィールドレンズ、２
Ｒ、２Ｇ、２Ｂは透過型ライトバルブ、１６Ｒ、１６
Ｂ、１６Ｇは第２のフィールドレンズ、１７Ｒ、１７Ｂ
は色分解用のダイクロイックミラー、１８Ｂ、１８Ｇは
色合成用のダイクロイックミラー、１７、１８はミラー
である。

【００５３】次に動作について説明する。ランプ１１か
ら部分テーパーロッド１３に至る部分の構成及び動作は
実施の形態１と同様である。本実施の形態ではリレーレ
ンズ１４から出射された白色光をダイクロイックミラー
１７Ｒ、１７Ｂ、ミラー１７でＲＧＢ３つの色光へ色分
解し、それぞれの色光に対応するよう配置された合計３
枚のライトバルブへ導きこれを照明する。各ライトバル
ブで画像情報を付加された各色光は再びダイクロイック
ミラー１８Ｂ、１８Ｇ、ならびにミラー１８によって色
合成され、投写レンズへ導かれる。なお、第２のフィー
ルドレンズ１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂによってライトバル
ブ透過光は投写レンズ３の入射瞳位置へ向って集光さ
れ、入射瞳位置近傍に再び光源像が形成されることにな
る。したがって、ライトバルブ透過光を高効率でスクリ
ーン面へ導くことができる。

【００５４】部分テーパーロッドの出射端面１３Ｂの共
役像はリレーレンズ１４でライトバルブ２Ｒ、２Ｇ、２
Ｂの画像表示面に形成される。図中緑色用のライトバル
ブ２Ｇについてこの共役結像の様子を破線で示した。赤
色用のライトバルブ２Ｒ、青色用のライトバルブ２Ｂ
は、リレーレンズ１４からライトバルブ２Ｇと等しい光
学距離に配置されているため、同様にその画像表示面上
に出射端面１３Ｂの共役像が形成され、各ライトバルブ
の画像表示領域はその形状と相似な断面形状の照明光で
照射される。また、各ライトバルブの手前側近傍には第
１のフィールドレンズ１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂが配置さ
れている。これら各フィールドレンズの前側焦点はフィ
ールドレンズ１５Ｒについては２次光源像の位置Ｓ２２
に、フィールドレンズ１５Ｇ、１５Ｂについては２次光
源像の位置Ｓ２に一致するように設定されているので、
各ライトバルブの照明光は平行化される。

【００５５】上記実施の形態３では、各ライトバルブは
透過型であるとして説明したが、具体的には公知の液晶
パネルや油膜を用いる方式などが適用可能である。ま
た、液晶パネルの液晶材料はＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶、Ｐ
ＤＬＣ、ＤＳＭ液晶等種々の公知の材料が適用可能であ
る。液晶パネルの駆動方式としては液晶セル内に互いに
直交するストライプ状の周期構造電極を対向させた構造
の単純マトリクス方式、及び表示面内に画像情報を保持
するスイッチング素子をアレイ状に配列したアクティブ
マトリクス方式が知られているが、どちらの方式でも適
用可能である。

【００５６】実施の形態４．また、実施の形態３では第
１のフィールドレンズ１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ、及び第
２のフィールドレンズ１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂをライト
バルブ２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの前後近傍に配置したが、ライ
トバルブの直前（光源側）もしくはライトバルブの直後
（投写レンズ側）に一体化して配置することも可能であ
る。この場合、２次ランプ像Ｓ２、Ｓ２２と投写レンズ
３の入射瞳が共役になるように、一体化したコンデンサ
レンズの焦点距離、配置を設定すればよい。図８は本発
明の実施の形態４である投写型表示装置の光学系の構成
図であり、図７の第２のフィールドレンズ１６Ｒ、１６
Ｇ、１６Ｂを省略し、かつフィールドレンズ１５Ｒ、１
５Ｇ、１５Ｂによって２次光源像Ｓ２、Ｓ２２の共役像
が投写レンズ３の入射瞳に形成されるようにして高効率
で照明光を投写レンズ３に入射させる構成としたもので
ある。

【００５７】上述したように一体化したフィールドレン
ズ１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂは図７とは逆にライトバルブ
よりも投写レンズ側近傍に配置しても差し支えない。な
お、図８は投写レンズ３が非テレセントリック系で、入
射瞳が投写レンズから有限距離の点に位置するとして描
いた。一方、テレセントリック系の投写レンズの場合、
入射瞳は無限遠近傍に位置するのでフィールドレンズ１
５Ｒ、１５Ｂ、１５Ｇによる光源像も無限遠に形成する
ことになる。この場合には各フィールドレンズ１５Ｒ、
１５Ｇ、１５Ｂの透過照明光は平行光束にするのが好適
である。

【００５８】実施の形態５．実施の形態５を図９によっ
て説明する。図９は本発明の実施の形態５である投写型
表示装置の光学系の構成図である。図において、２０は
反射型ライトバルブ、１４０はリレーレンズ系、１５０
はフィールドレンズ、１７０は偏光プリズム、その他の
記号は図１と同じであるので説明を省略する。反射型ラ
イトバルブ２０を用いた場合もＳ１’面の端面像をリレ
ー光学系１４０によって反射型ライトバルブ２０上へ導
き、反射型ライトバルブ２０を出射した画像光を投写レ
ンズ３によって拡大投写する動作は前述の透過型ライト
バルブを用いた図１の場合とほぼ同様である。異なる点
は偏光プリズム１７０によって反射型ライトバルブ２０
を出射した光を投写レンズ３へ偏光分離する点、フィー
ルドレンズ１５０が反射型ライトバルブ２０へ入射する
光束を略平行化するとともに、投写レンズ３の入射瞳に
向かって出射光束を収束させ、投写光束を増やすような
働きをする点である。

【００５９】実際には部分テーパーロッド１３の出射端
面と反射型ライトバルブ２０の大きさの比は様々な値を
取り得るため、リレーレンズ系１４０の倍率ならびに構
成枚数は任意の値となる。このリレーレンズ光学系１４
０の詳細な光学設計を行なうことにより、反射型ライト
バルブ２０を照明するのに適した光源装置ならびにこれ
を用いた投写型表示装置を実現することができる。この
際、各光学素子の入射角度特性や反射型ライトバルブ２
０の特性を考慮すれば照明光束の平行度が高いほど良い
ことは言うまでもなく、部分テーパーロッド１３の光束
平行度調整作用により光源装置ならびに投写型表示装置
全体の光利用効率が向上することが期待できる。

【００６０】なお、本実施の形態では反射型ライトバル
ブ２０が１枚で構成される投写型表示装置について説明
したが、３原色に対応して複数の反射型ライトバルブ２
０を用いることも、さらに他の構成色を含めた複数の反
射型ライトバルブ２０を用いることも可能であり、その
場合でも同様の効果が得られると言える。また、上記実
施の形態では反射型ライトバルブ２０として偏光を制御
する液晶等を想定し、偏光プリズム１７０を用いて照明
光と投写光を分離する構成を示したが、散乱型、角度変
調型、濃度変調型ライトバルブの場合には、ハーフプリ
ズムや平板ビームスプリッタ等を分離素子に用いれば良
い。

【００６１】上記実施の形態５では、各ライトバルブは
反射型であるとして説明したが、具体的には強誘電性液
晶、ホメオトロピック液晶などの公知の反射型液晶パネ
ルや、ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイ
ス）などのマイクロマシンニング技術を駆使して作成さ
れた各種反射型ライトバルブが適用可能である。

【００６２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載するような効果を奏する。

【００６３】本発明に係る光源装置においては、部分テ
ーパーロッドのテーパー角の制御によってランプからの
集光光束の平行度を所望の値にすることができるため、
柱状光学素子の出射端面像から発散する照明光束の広が
り角を小さくすることができ、これによりコンパクトな
リレー光学系を用いて柱状光学素子の出射断面像を被照
明面に結像させることが可能となる。この結果、所望の
領域を選択的に均一かつ高い照度で照明することができ
る。

【００６４】また、矩形の被照明領域をこれと相似形状
かつ同等以上の大きさを持つ照明光束で照明することが
できるため、高効率、高照度の矩形領域照明装置を提供
することができる。

【００６５】さらに、被照明面の光源側近傍に配置した
フィールドレンズにより、照明光束の形状に実質上の影
響を与えず領域周辺部の照明光束を増やすことができる
ため、高効率、高照度で矩形領域を照明することができ
る。

【００６６】また、本発明に係る投写型表示装置におい
ては、ライトバルブを所望の高平行度光束で照明するこ
とができるため、光利用効率が高く、コンパクトな装置
を実現することができ、照度均一性およびコントラスト
の高い高照度の投写画像を提供することができる。

【００６７】また、部分テーパーロッドの出射端面が矩
形であるため、側面で全反射した複数個の虚光源による
均一照明の結果、ライトバルブを照明するのに適した照
明光束を提供することができる。

【００６８】さらに、矩形のライトバルブをこれと相似
な形状を持つ矩形光束で照明するため、光利用効率の高
い投写型表示装置を実現することができる。

【００６９】また、矩形のライトバルブをこれと同等以
上の大きさを持つ矩形光束で照明するため、光利用効率
の高い投写型表示装置を実現することができる。

【００７０】さらに、ライトバルブの光源側近傍に配置
したフィールドレンズにより、照明光束の形状に実質上
の影響を与えずライトバルブの画像表示領域周辺部の照
明光束を増やすことができるため、高効率、高照度で均
一性の高い投写画像を提供することができる。

【００７１】さらにまた、ライトバルブ近傍に配置され
たフィールドレンズにより、投写レンズの入射瞳に２次
光源像を再結像させることができるため、簡単な構成で
高輝度かつ画面均一性に優れた投写型表示装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１、および実施の形態２
である光源装置および投写型表示装置を示す構成図であ
る。

【図２】部分テーパーロッドの動作を説明する断面図
である。

【図３】部分テーパーロッドを説明するための図であ
る。

【図４】部分テーパーロッドの構成を説明する斜視図
である。

【図５】部分テーパーロッドの変形例を説明する斜視
図である。

【図６】本発明の実施の形態１である投写型表示装置
の集光光学系の変形例を説明する構成図である。

【図７】本発明の実施の形態３である投写型表示装置
の光学系の構成図である。

【図８】本発明の実施の形態４である投写型表示装置
の光学系の構成図である。

【図９】本発明の実施の形態５である投写型表示装置
の光学系の構成図である。

【図１０】従来のロッドインテグレータを用いた光源
装置および投写型表示装置を示す構成図である。

【図１１】従来のロッドインテグレータの動作を説明
する断面図である。

【図１２】照明光学系の基本原理の説明図である。

【符号の説明】

２ライトバルブ、３投写レンズ、１１ランプ、１
３部分テーパーロッド、１３Ｆ入射端面、１３Ｂ
出射端面、１４リレーレンズ、１５フィールドレン
ズ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の入射端面、出射端面を有し、入射
端面から出射端面に向って断面形状が連続的に増大する
テーパ部と断面形状が一定の平行部からなる柱状光学素
子、ランプ、該柱状光学素子の入射端面近傍に前記ラン
プからの出射光を収束照射する集光手段、該柱状光学素
子の出射端面の像を形成する第１のレンズ手段とから構
成され、前記第１のレンズ手段により前記柱状光学素子
の出射端面の像を照明したい被照射面に結像することを
特徴とする光源装置。
【請求項２】前記柱状光学素子は入射端面、出射端面
が矩形であり、柱状光学素子内に入射する光束を該柱状
光学素子の側面で全反射して出射端面に導くことを特徴
とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】前記被照射面の手前近傍に照射光束を平
行化するための第２のレンズ手段を配置したことを特徴
とする請求項１項記載の光源装置。
【請求項４】一対の入射端面、出射端面を有し、入射
端面から出射端面に向って断面形状が連続的に増大する
テーパ部と断面形状が一定の平行部からなる柱状光学素
子、ランプ、該柱状光学素子の入射端面近傍に前記ラン
プからの出射光を収束照射する集光手段、該柱状光学素
子の出射端面の像を形成する第１のレンズ手段、面内に
画像を形成するライトバルブ、該ライトバルブの表示画
像を拡大投写する投写レンズ手段とから構成され、前記
第１のレンズ手段により前記柱状光学素子の出射端面の
像を前記ライトバルブ面内の画像表示領域に形成するこ
とを特徴とする投写型表示装置。
【請求項５】前記柱状光学素子は出射端面が矩形であ
り、柱状光学素子内に入射する光束を該柱状光学素子の
側面で全反射して出射端面に導くことを特徴とする請求
項４記載の投写型表示装置。
【請求項６】前記柱状光学素子は出射端面が矩形であ
り、柱状光学素子内に入射する光束を該柱状光学素子の
側面で全反射して出射端面に導くよう構成されており、
該出射端面の形状が前記ライトバルブの画像表示領域の
形状と相似形状であることを特徴とする請求項４記載の
投写型表示装置。
【請求項７】前記第１のレンズ手段で形成される出射
端面の像の寸法が、前記ライトバルブの画像表示領域の
大きさと略同等以上であることを特徴とする請求項４記
載の投写型表示装置。
【請求項８】前記ライトバルブの前記第１のレンズ手
段側近傍に、照射光束を平行化するための第２のレンズ
手段を配置したことを特徴とする請求項４記載の投写型
表示装置。
【請求項９】前記ライトバルブの近傍に、前記第１のレ
ンズ手段によって形成された前記ランプの像を前記投写
レンズの入射瞳の近傍に再結像する第３のレンズ手段を
配置したことを特徴とする請求項４記載の投写型表示装
置。