JP2007079317A - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 ロッドインテグレータにおける光出射面縁側での光利用効率を改善することで照度分布均一領域を拡大することができる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。
【構成】 ロッドインテグレータ１５Ａの光出射端面の四辺領域（縁領域）には、当該四辺領域から出射される光の進行方向をロッドインテグレータ１５Ａの光軸中心方向に傾ける光学作用面１５ａが形成されている。前記光学作用面１５ａはその断面形状として曲面形状を有する。すなわち、前記四辺領域を曲面形状に研磨加工等することで、その屈折作用を用いて当該四辺領域から出射される光をロッドインテグレータ１５Ａの光軸中心方向に傾けることができる。前記光学作用面１５ａは所定角度で光を屈折させることを期待する領域であるので、単なる角の面取り領域とは異なり、前記光出射端面の面粗さ（平坦度）と同程度の面粗さで仕上げられる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、照明装置及びこの照明装置を備えた投写型映像表示装置に関する。

従来より、ＬＥＤ（発光ダイオード）などの光源から出射された光の照度分布を均一化するためにロッド形状のインテグレータ（ロッドインテグレータ）を利用することが行われている（特許文献１参照）。図１３は従来の照明装置を用いた投写型映像表示装置の一部を示した説明図である。この照明装置におけるロッドインテグレータ１４以外の光学部材についてはこの発明の実施形態の項において詳述されるので、この項では説明を省略している。ロッドインテグレータ１４は、直方体形状の透明部材からなっており、この透明部材の内面で光を反射させることでこの透明部材の光出射端面において光の照度分布を均一化する。ロッドインテグレータ１４の光出射端面から出射された光は液晶表示パネル１を透過することで光変調され、この変調光（映像光）は図示しない投写レンズによって投写される。なお、ロッドインテグレータ１４の光出射端面から出射された光には分散角分布が存在している。一方、投写レンズにおいて利用される光は、分散角分布が所定角度以内の光となる。
特開２００５−１２８２３４号公報

しかしながら、図１４に示しているように、ロッドインテグレータ１４の光出射端面から出射される光のうち、光出射端面の縁側から出射される光（この光は前記所定角度以内の分散角分布を有する光（有効光）であるとする）の全てが液晶表示パネル１に導かれて利用されるわけではない。図１５は液晶表示パネル１への照明光の導かれかた及びロッドインテグレータ１４の光出射端面の大きさを示した説明図である。図においてロッド開口マージンは、ロッド出射開口と表示パネル面の設置誤差に鑑みた余裕部分である。これらの図から分かるように、ロッドインテグレータ１４光出射端面の縁側から出射される前記光の一部しか液晶表示パネル１に導くことができないために、液晶表示パネル１の縁部の明るさが不十分になるという問題がある。なお、表示パネルを前記光出射端面に近接すれば上記問題を軽減できるが、表示パネルが前記液晶表示パネル１である場合、その光入射側偏光板とパネル本体との間に冷却用の空間が必要とされることがあり、前記光出射端面に近接させるといった解決策を用いることができない場合もある。

上記の問題を解決できる構造として図１６に示す構造が考えられる。この構造は、先述の特許文献１に記載の構造に相当するものであり、ロッドインテグレータ１４の光出射端面に両凸レンズ３０を配置した構造を有する。両凸レンズ３０は中心側よりも周辺側での屈折の程度が大きいため、ロッドインテグレータ１４の光出射端面の縁側から出射される光の多くを液晶表示パネル１に導くことが可能になる。しかしながら、ロッドインテグレータ１４光出射端面の中央近辺から出射される光も屈折させるため、出射光の分散角分布において投写レンズで利用されない分散角を持つ光が前記中央近辺において生じてしまうことになり、光利用効率が低下する。

この発明は、上記の事情に鑑み、ロッドインテグレータにおける光出射面縁側での光利用効率を改善できる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。

この発明の照明装置は、上記の課題を解決するために、光入射端面から入射された光をインテグレートして光出射端面から出射させて照明対象物を照らすロッドインテグレータを備え、前記光出射端面と前記照明対象物とが略同じ大きさを有することで、前記光出射端面の縁部から出射される光が前記照明対象物の縁部に導かれる照明装置において、前記ロッドインテグレータの光出射端面の中央部は平面を有する一方、ロッドインテグレータの光出射端面の縁部には、前記平面が含まれる面内に存在しない面を有する光学作用面が形成されており、この光学作用面から出射される光の進行方向は当該ロッドインテグレータの光軸中心方向に傾けられることを特徴とする。

上記の構成であれば、前記ロッドインテグレータの光出射端面の中央部は平面を有するので、当該中央部から出射される光の主光線軸が曲げられてしまうことがないことになり、中央側での有効光量低下を回避できる。また、前記光学作用面によって、ロッドインテグレータの光出射端面の縁部から出射される光の進行方向が当該ロッドインテグレータの光軸中心方向に傾けられるので、ロッドインテグレータにおける光出射端面の縁側での光利用効率を改善できる。

上記構成の照明装置において、前記光学作用面は曲面形状、多角形状、フレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、又は、前記光軸中心方向に対して非９０°の角度を有する斜め平面であってもよい。

これら構成の照明装置において、前記ロッドインテグレータは前記光入射端面よりも前記光出射端面の方が大であるテーパ型のロッドインテグレータ、又は、非テーパ型のロッドインテグレータであってもよい。

これら構成の照明装置において、前記ロッドインテグレータは主ロッド部材と前記光学作用面が形成されている部材とが接合されて成るものでもよい。

これら構成の照明装置において、前記ロッドインテグレータに入射される光又は入射された光の偏光方向を揃える偏光光学素子を備え、前記ロッドインテグレータからは偏光方向が特定の方向に揃えられた光が出射されることとしてもよい。

また、この発明の投写型映像表示装置は、上述したいずれかの照明装置と、前記照明対象物としてのライトバルブと、前記ライトバルブを経て得られる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。

この発明によれば、ロッドインテグレータにおける光出射面縁側での光利用効率を改善することで照度分布均一領域を拡大するとともに全体としての光量増大を図ることができるという効果を奏する。

以下、この発明の実施形態の照明装置及び投写型映像表示装置を図１乃至図１２に基づいて説明していく。

図１は投写型映像表示装置の光学系を示した図である。この投写型映像表示装置は３つの照明装置５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂを備える。各照明装置５１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、テーパ型ロッドインテグレータ１２と、偏光変換装置１３と、略直方体形状のロッドインテグレータ１５Ａと、を備えて成る。

ＬＥＤ１１は、ＬＥＤチップ１１ａとヒートシンク（放熱板）１１ｂとから成る。照明装置５１ＲにおけるＬＥＤチップ１１ａは赤色光を出射し、照明装置５１ＧにおけるＬＥＤチップ１１ａは緑色光を出射し、照明装置５１ＢにおけるＬＥＤチップ１１ａは青色光を出射する。

テーパ型ロッドインテグレータ１２は、光入射面よりも光出射面の方が大きくされたテーパ形状を有しており、前記ＬＥＤチップ１１ａから出射される光に存在する分散角分布を低分散角化する作用と、前記ＬＥＤチップ１１ａから出射される光に存在する照度分布の不均一を均一化する作用を有する。

偏光変換装置１３は、ロッドインテグレータ１２の光出射面に対面する位置にＶ字状に誘電体多層膜（偏光分離膜）を有する。このＶ字状の誘電体多層膜の一方の面で反射されたＳ偏光光はその隣の反射面（或いは誘電体多層膜）によって反射され、同様に、前記Ｖ字状の誘電体多層膜の他方の面で反射されたＳ偏光光はその隣の反射面（或いは誘電体多層膜）によって反射される。誘電体多層膜を透過したＰ偏光光は位相差板（１／２λ板）１３ａによってＳ偏光光に変換される。勿論、光をＰ偏光光に揃えることもできる。

略直方体形状のロッドインテグレータ１５Ａは、透明部材（透明ガラス等）からなっており、この透明部材の内面で光を反射させることでこの透明部材の光出射端面において光の照度分布を均一化する。ロッドインテグレータ１５Ａの光出射端面は例えば方形状とされる。ロッドインテグレータ１５Ａの詳細については後述する。

各照明装置５１から出射された各色光が各色用の液晶表示パネル１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを透過することによって各色映像光が生成される（以下、特定の液晶表示パネルを示すこととしない場合には、単に符合”１”を用いる場合がある）。そして、各色映像光はクロスダイクロイックプリズム２（クロスダイクロイックミラーでもよい）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３によって投写される。

前記ロッドインテグレータ１５Ａの光出射端面の四辺領域（縁領域）には、当該四辺領域から出射される光の進行方向をロッドインテグレータ１５Ａの光軸中心方向に傾ける光学作用面１５ａが形成されている。図１及び図２等においては、ロッドインテグレータ１５Ａの縦断面形状を示しており、前記光学作用面１５ａはその断面形状として曲面形状（円弧形状）を有する。すなわち、従来のロッドインテグレータであれば、その縦断面形状における四辺領域は直角形状をなすのであるが、前記四辺領域を曲面形状に研磨加工等することで、その屈折作用を用いて当該四辺領域から出射される光をロッドインテグレータ１５Ａの光軸中心方向に傾けることができる。前記光学作用面１５ａは所定角度で光を屈折させることを期待する領域であるので、単なる角の面取り領域とは異なり、前記光出射端面の面粗さ（平坦度）と同程度の面粗さで仕上げられる。

図４及び図５はロッドインテグレータ１５Ａにおける光学作用面１５ａの屈折作用を示した説明図である。従来のロッドインテグレータであれば、図５において点線で示しているように、縁領域から出射される光の略半分は液晶表示パネル１から外れる方向に出射される。これに対し、ロッドインテグレータ１５Ａであれば、前記光学作用面１５ａによって光出射端面の縁領域から出射される光の進行方向はロッドインテグレータ１５Ａの光軸中心方向に傾けられるので、縁領域から出射される光の多くが液晶表示パネル１へと導かれることになる。

図３は照明装置の変形例を示した説明図である。図２に示した照明装置との相違点は、ロッドインテグレータ１２の光入射端面側に偏光変換装置２０を設けている点である。偏光変換装置２０は側面から入射された光をＳ偏光光に揃える。この偏光変換装置２０は、偏光ビームスプリッタを二つ並べた構造、或いは一つの偏光ビームスプリッタと当該偏光ビームスプリッタからの光を反射する反射部材とを並べた構造を有する。そして、一つの偏光ビームスプリッタの光出射側又は前記反射部材の光出射側のいずれかに位相差板（１／２λ板）を備えており、一方の偏光光を他方の偏光光に変換することによって偏光方向を揃える。勿論、Ｐ偏光光に揃えることもできる。なお、二つの偏光ビームスプリッタの間、或いは一つの偏光ビームスプリッタと反射部材との間に位相差板を配置した構造を採用してもよい。

前記ロッドインテグレータ１５Ａへ光を導くための光学系については、上述した構成に限らず、どのような構成でも構わない。

図６は照明装置の変形例を示した説明図である。図２に示した照明装置との相違点は、ロッドインテグレータ１５Ａに替えてロッドインテグレータ１５Ｂを備えている点である。ロッドインテグレータ１５Ｂの光出射端面の四辺領域（縁領域）には、当該四辺領域から出射される光の進行方向をロッドインテグレータ１５Ｂの光軸中心方向に傾ける光学作用面１５ｂが形成されている。図６においては、ロッドインテグレータ１５Ｂの縦断面形状を示しており、前記光学作用面１５ｂは角をカットした傾め平面形状を有してなる。すなわち、従来のロッドインテグレータであれば、その縦断面形状における四辺領域は直角形状をなすのであるが、前記四辺領域を斜め平面形状に研磨加工等することで、その屈折作用を用いて当該四辺領域から出射される光をロッドインテグレータ１５Ｂの光軸中心方向に傾けることができる。前記光学作用面１５ｂは所定角度で光を屈折させることを期待する領域であるので、単なる角の面取り領域とは異なり、前記光出射端面の面粗さ（平坦度）と同程度の面粗さで仕上げられる。

図７は前記光学作用面１５ｂの形状と液晶表示パネル１との配置の関係の一例を示した説明図である。ここで、図示しない投写レンズにおいて利用可能な光の分散角をθとし、ロッドインテグレータ１５Ｂの光出射端面から液晶表示パネル１までの距離をＬとする。また、前記分散角θの光が丁度液晶表示パネル１の縁に至ることとなる光出射ポイントをＰとする。前記ポイントＰの延長線上で前記液晶表示パネル１と交わる箇所から液晶表示パネル１の最縁までの距離をｔとすると、tangent θ＝ｔ／Ｌの式が成り立つ。分散角θと距離Ｌとから距離ｔを算出することで前記ポイントＰの位置を特定することができ、このポイントＰを前記光学作用面１５ｂの形成開始ポイントとすればよい。すなわち、前記ポイントＰよりも更に縁側の箇所から出射される光の一部において液晶表示パネル１の縁よりも外側に外れると考えられるので、前記ポイントＰよりも縁側の箇所に前記光学作用面１５ｂ（斜め平面領域）を形成する。前記光学作用面１５ｂの傾斜角度については、前記θの角度でロッドインテグレータ１５Ｂ内から出射される光が前記θよりも小さい角度で出射されるような傾きとすればよい。なお、図７においては、ロッドインテグレータ１５Ｂの光出射端面は液晶表示パネル１よりも大である（開口マージン付き）として描いている。また、曲面から成る光学作用面１５ａについても、同様の考え方で形成開始ポイントを割り出すことができる。

図８は照明装置の変形例を示した説明図である。図３に示した照明装置との相違点は、テーパ形状のロッドインテグレータ１２に替えてテーパ形状のロッドインテグレータ１２Ａを備え、直方体形状のロッドインテグレータ１５Ａを取り除いている点である。そして、ロッドインテグレータ１２Ａの光出射端面の四辺領域に光学作用面１２ａを形成している。光学作用面１２ａは、光学作用面１５ａのごとく曲面形状でもよいし、光学作用面１５ｂのごとく斜め平面形状であってもよいし、多角形状であってもよい。このように、直方体形状のロッドインテグレータに限らず、テーパ形状を有するロッドインテグレータの光出射端面に光学作用面を形成することとしてもよいものである。なお、図８に示している点線(1)や点線(2)等の箇所でロッドインテグレータ１２Ａを分割し、この分割された一方（テーパ形状領域）を中空構造とし（内面がミラー面をなしている）、他方（光学作用面領域）をガラス等の透明部材で構成する構造も採用できる。ロッドインテグレータ１５Ａやロッドインテグレータ１５Ｂについても同様の分割構造とすることができる。

図９は、この発明の実施形態の単板型の投写型映像表示装置を示した説明図である。この投写型映像表示装置は、例えばロッドインテグレータ１５Ａを用いた照明装置を備えて成る。ＬＥＤ１１Ｗは、例えば、４つのＬＥＤチップ１１ａ（例えば二つの緑色光チップと一つの赤色光チップと一つの緑色光チップ）を備えて白色光を出射する。液晶表示パネル１としては、カラーフィルタを備えた液晶表示パネルを用いる。或いは、同様の構成を用いて単板型の時分割投写型映像表示装置を構成することもできる。例えば、前記４つのＬＥＤチップ１１ａにおいて各色のチップを色ごとに時分割で点灯させる。そして、前記液晶表示パネル１としてはカラーフィルタを備えない構成を用い、前記時分割点灯に同期させて赤色映像信号と緑色映像信号と青色映像信号とを前記液晶表示パネル１に供給する。

なお、以上の実施形態においては、光源として固体発光素を用いたが、これに限るものではなく、例えば、パラボラリフレクタや楕円リフレクタとランプとから成る光源を備えてもよい（図１１の光源１１′参照）。また、前記リフレクタとランプから成る光源を用いる構造含めて、ワイヤーグリッドを備えて光の偏光方向を揃える構成を採用することもできる。例えば、図１０に示すように、ワイヤーグリッドはロッドインテグレータ１２とロッドインテグレータ１５Ｂとの間に配置される。ワイヤーグリッドは複数の金属細線を光の波長程度の間隔で形成したものであり、例えばＰ偏光光を透過してＳ偏光光を反射する。

或いは、図１１に示すように、分割構成のロッドインテグレータ１２Ａ′を用いた構成を採用できる。具体的には、ロッドインテグレータ１２Ａ′はテーパ形状部（内面がミラー面をなす中空構造としてもよい）１２−１と光学作用面付き透明部材１２−２とから成り、その接合面にワイヤーグリッド２１を有する。接合には、透明接着剤を用いたり、両部材の側面に架け渡されて両部材を連結するホルダーを用いればよい。更に、ロッドインテグレータ１２Ａ′の光入射端面には、中央部に開口を有するミラー部材２２が設けられており、このミラー部材２２と前記光入射端面との間に１／４λ板２３が配置されている。かかる構成であれば、ワイヤーグリッド２１にて反射されたＳ偏光光は前記１／４λ板２３を２回通ることでＰ偏光光に変換されるので、前記ワイヤーグリッド２１を通って出射されることになる。なお、前記１／４λ板２３は前記テーパ形状部１２−１とワイヤーグリッド２１との間に配置してもよい。また、光源１１′に替えてＬＥＤ１１を用いる場合には、前記ミラー部材２２をＬＥＤチップ１１ａの裏面側に配置してもよいし、ＬＥＤチップ１１ａがミラー部を有する場合にはそれを利用してもよい。

また、光学作用面は上記曲面形状や斜め平面形状に限らず、図１２（ａ）に示しているように、それらの中間的な多角形状であってもよい。また、図１２（ｂ）に示すように、光学作用面はフレネルレンズ形状を有していてもよい。また、図１２（ｃ）に示すように、光学作用面はシリンドリカルレンズ形状を有していてもよい。この図１２（ｃ）においては、特に凸レンズの周辺部に相当する曲面形状を有するシリンドリカルレンズ形状としている。また、ライトバルブは透過型の液晶表示パネルに限らず、反射型の液晶表示パネルや微小ミラーを多数配置して個々の微小ミラーを駆動するように構成されたライトバルブなども用いることができる。

この発明の実施形態の照明装置及び投写型映像表示装置の光学系を示した説明図である。 図１の照明装置の拡大図である。 この発明の照明装置の他の例を示した説明図である。 ロッドインテグレータにおける光学作用面の光屈折作用を示した説明図である。 ロッドインテグレータにおける光学作用面の光屈折作用を示した説明図である。 この発明の照明装置の他の例を示した説明図である。 図６のロッドインテグレータの光学作用面の形状を説明する説明図である。 この発明の照明装置の他の例を示した説明図である。 この発明の投写型映像表示装置の他の例を示した説明図である。 この発明の照明装置の他の例を示した説明図である。 この発明の照明装置の他の例を示した説明図である。 この発明の照明装置のロッドインテグレータの他の例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。 従来の照明装置のロッドインテグレータの光出射を説明する説明図である。 従来の照明装置のロッドインテグレータによって生じる相対的に暗い領域を説明する説明図である。 図１５に示す従来の問題を解決する従来の照明装置を示した説明図である。

符号の説明

１ 液晶表示パネル
２ クロスダイクロイックプリズム
３ 投写レンズ
１１ ＬＥＤ
１２，１２Ａ，１２Ａ′ テーパ型のロッドインテグレータ
１５Ａ，１５Ｂ 直方体形状ロッドインテグレータ
５１ 照明装置

Claims (6)

1. 光入射端面から入射された光をインテグレートして光出射端面から出射させて照明対象物を照らすロッドインテグレータを備え、前記光出射端面と前記照明対象物とが略同じ大きさを有することで、前記光出射端面の縁部から出射される光が前記照明対象物の縁部に導かれる照明装置において、
   前記ロッドインテグレータの光出射端面の中央部は平面を有する一方、ロッドインテグレータの光出射端面の縁部には、前記平面が含まれる面内に存在しない面を有する光学作用面が形成されており、この光学作用面から出射される光の進行方向は当該ロッドインテグレータの光軸中心方向に傾けられることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記光学作用面は曲面形状、多角形状、フレネルレンズ形状、シリンドリカルレンズ形状、又は、前記光軸中心方向に対して非９０°の角度を有する斜め平面であることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の照明装置において、前記ロッドインテグレータは前記光入射端面よりも前記光出射端面の方が大であるテーパ型のロッドインテグレータ、又は非テーパ型のロッドインテグレータであることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の照明装置において、前記ロッドインテグレータは主ロッド部材と前記光学作用面が形成されている部材とが接合されて成ることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の照明装置において、前記ロッドインテグレータに入射される光又は入射された光の偏光方向を揃える偏光光学素子を備え、前記ロッドインテグレータからは偏光方向が特定の方向に揃えられた光が出射されることを特徴とする照明装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置と、前記照明対象物としてのライトバルブと、前記ライトバルブを経て得られる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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