JP2007121602A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像表示装置の照明装置に使用した場合において、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすことなく、また、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能な照明光学系を提供する。
【解決手段】 第１のフライアイレンズアレイ５と第２のフライアイレンズアレイ６とからなるフライアイインテグレータ、及び重畳レンズ７を備えた照明光学系において、重畳レンズ７を光軸に沿って移動操作可能とし、第２のフライアイレンズアレイ６に対する距離を調整可能とした。
【選択図】 図５

Description

本発明は、画像表示装置等において光源からの光束を導いて空間光変調素子等の被照明物を照明するための照明光学系に関する。

従来、複数の空間光変調素子を備え、これら空間光変調素子を照明装置により照明し、各空間光変調素子を経て変調された照明光を結像させて画像表示を行う画像表示装置が提案されている。このような画像表示装置における照明装置は、光源と、この光源からの光束を導いて空間光変調素子を照明する照明光学系とを有して構成されている。

照明装置における光源としては、超高圧水銀ランプ等が使用されている。また、照明光学系としては、光源からの光束の輝度を均一化して空間光変調素子に導くため、一対のフライアイレンズアレイからなるフライアイインテグレータなどのインテグレータを有するものが使用されている。

このような画像表示装置においては、明るい部屋において表示画像を観賞する場合には、空間光変調素子を照明する照明光を高輝度とし、一方、暗い部屋において表示画像を観賞する場合には、空間光変調素子を照明する照明光の輝度を抑えて、表示画像を見やすい輝度に調節する必要がある。

空間光変調素子を照明する照明光の輝度を調整する手段としては、従来、照明装置の光源であるランプの出力をランプ電源を介して調整することが行われている。すなわち、ランプに供給する電流量を調整することにより、ランプの出力を調整して、照明光の輝度を調整する手段である。また、ランプの出力を調整することなく、照明光の輝度を調整する手段としては、照明光学系における入射瞳を絞り、照明光学系のＦナンバを調整することが行われている。

さらに、照明光の輝度を調整することなく、表示画像の輝度を調整する手段として、空間光変調素子を経た照明光を結像させる投射光学系（投射レンズ）の可変絞りを用いて、投射光学系のＦナンバを調整することが行われている。

なお、特許文献１には、フライアイインテグレータをなすフライアイレンズアレイのうちの一方を光軸に直交する方向に移動調整することにより、光源からの光束による空間光変調素子に対する照明効率を向上させる構成が記載されている。これは、照明光学系による照明範囲と、空間光変調素子の位置とを一致させることによって、照明効率を向上させ、照明光の輝度を高くしようとするものであって、照明光の輝度を調整する手段を提示するものではない。

特開平１０−１１５８０３号公報

ところで、前述のような画像表示装置において、光源（ランプ）の出力の調整により照明光の輝度を調整する場合には、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすという問題がある。

すなわち、光源として使用される超高圧水銀ランプ等のランプにおいては、安定して発光するための温度条件やバルブ内圧条件等が設定されているが、ランプ電源を介してランプ出力を調整すると、これらの条件から逸脱してしまう虞れがある。ランプは、これら適切な温度条件やバルブ内圧条件等から逸脱した状態での使用を続けると、信頼性や寿命等が損なわれるという問題があった。

また、画像表示装置において、照明光学系における入射瞳を絞ることによる照明光学系のＦナンバの調整や、投射光学系の可変絞りによる投射光学系のＦナンバの調整によって表示画像の輝度を調整する場合には、表示画像におけるコントラストの劣化、色再現性の劣化、あるいは、輝度ムラや色ムラを招来するという問題があった。

すなわち、画像表示装置においては、反射型空間光変調素子を経た光束について、偏光変調された光と偏光変調されなかった光とを偏光ビームスプリッタ等の偏光光学素子によって分離させ、強度変調に変換している。また、画像表示装置においては、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）及びＢ（青色）の各色光の色分離や色合成のために、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム等の分光光学素子を用いている。このような偏光光学素子や分光光学素子は、偏光分離特性や分光特性について入射角依存性を有しており、入射角が所定の角度範囲から外れた場合には、所定の偏光分離特性や分光特性を発揮できない虞れがある。したがって、照明光学系や投射光学系のＦナンバが変化すると、偏光光学素子や分光光学素子に対する入射光束の入射角分布が変化してしまい、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、または、輝度ムラや色ムラが招来されるという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、画像表示装置の照明装置に使用した場合において、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすことなく、また、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能となされた照明光学系を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜２）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）光源からの光束が入射される第１のフライアイレンズアレイと、この第１のフライアイレンズアレイを経た光束が入射される第２のフライアイレンズアレイと、重畳レンズとを備え、前記第２のフライアイレンズアレイを経た光束を前記重畳レンズにより、前記第１のフライアイレンズアレイに対して略共役の位置にある被照明物を照明する照明光学系において、
光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。
２）光源からの光束が一端側より入射され該光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有するインテグレータと重畳レンズとを備え、このインテグレータを経た光束を前記重畳レンズにより、被照明物を照明する照明光学系において、
光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。

本発明においては、フライアイレンズアレイインテグレータを備えた照明光学系において、重畳レンズが光軸に沿って移動操作可能となされ、第２のフライアイレンズアレイに対する距離が調整可能となっていることにより、被照明物と共役な関係にある第１のフライアイレンズアレイの結像倍率を調節し、照明領域を大きさを変化させて単位面積当たりの光束量を調整することができるので、光学系としてのＦナンバを変えることなく、照明光の輝度を調整することができる。

なお、重畳レンズの位置の調整範囲は、光軸方向に１０ｍｍ程度あればよい。このような位置調整は、簡単な調整機構を付加することのみで実現することができる。

また、本発明は、ロッドインテグレータやライトパイプ、ライトチューブなど、光源からの光束が一端側より入射され該光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有するインテグレータを備えた照明光学系において、重畳レンズが光軸に沿って移動操作可能となされ、被照明物に対する距離が調整可能となっていることにより、光学系としてのＦナンバを変えることなく、照明光の輝度を調整することができる。

すなわち、本発明は、画像表示装置の照明装置に使用した場合において、光源の信頼性や寿命等に悪影響を及ぼすことなく、また、表示画像におけるコントラストや色再現性の劣化、輝度ムラや色ムラを招来することなく、表示画像を見やすい輝度に調節することが可能となされた照明光学系を提供することができるものである。

以下、本発明に係る照明光学系の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。

まず、画像表示装置の照明装置において用いられる照明光学系として一般的なインテグレータ光学系について説明する。

画像表示装置の照明装置における照明光学系は、光源となるランプから出射された光束を被正面物となる空間光変調素子上に効率よく集める必要がある。そのため、このような照明光学系においては、「クリティカル照明」及び「ケラー照明」の２方式に大別される方式が使用されている。

図１は、クリティカル照明の原理を説明する斜視図である。

クリティカル照明は、図１に示すように、光源１の像をコンデンサレンズ２によって被照明物（空間光変調素子）３上に結像させる照明光学系である。光源１と被照明物３とが共役の関係になる。

この照明光学系においては、光源１の像を被照明物３上に形成するため、非常に高輝度の照明できる一方で、光源像が被照明物３上に形成されるので、光源１における発光分布（発光体の形状）による照明ムラができやすい。

図２は、ケラー照明の原理を説明する斜視図である。

ケラー照明は、図２に示すように、光源１と被照明物３の間に、開口絞りとしてのリレーレンズ４を配置し、被照明物３に開口絞りの像を結像させる照明光学系である。光源１とリレーレンズ４とが共役の関係になり、また、コンデンサレンズ２と被照明物３とが共役の関係になる。この照明光学系は、前述のクリティカル照明の問題点を解決するために考えられた照明光学系といえる。

ケラー照明における被照明物３上における照明光は、比較的均一な照度分布となる。ただし、被照明物３が矩形である場合には、開口絞りとしてのリレーレンズ４が円形であると、この開口絞りの像が結像されるため、照明効率が悪くなる。また、光源として放電ランプ（ＨＩＤランプ）を用いる場合には、ランプバルブ内のガスの対流及び輝点の変化が、被照明物３上において揺らぎとして現れてしまうという問題がある。

本発明に係る照明光学系は、ケラー照明を発展させたもので、被照明物３上における輝度の揺らぎを解消するため、照明領域と相似形の矩形レンズ（セル）を５０個乃至１００個マトリクス状に配列させた一対のフライアイレンズアレイを用いて、擬似的に多数個のケラー照明系を被照明物３上で重ね合わせるようにしたインテグレータ照明光学系である。

図３は、本発明に係る照明光学系の原理を説明する斜視図である。

本発明に係る照明光学系は、図３に示すように、光源１側に配置されこの光源１からの光束が入射される第１のフライアイレンズアレイ５と、この第１のフライアイレンズアレイ５を経た光束が入射される第２のフライアイレンズアレイ６とを備えている。第２のフライアイレンズアレイ６を構成する各セル（矩形レンズ）は、ケラー照明における開ロ絞り（リレーレンズ４）に相当し、光源１と共役の関係になる。また、第１のフライアイレンズアレイ５を構成する各セル（矩形レンズ）は、被照明物３と共役の関係になる。すなわち、第１のフライアイレンズアレイ５の各セルの第２のフライアイレンズアレイ６の各セルによる共役像が、被照明物３上における照明エリアということになる。これら第１のフライアイレンズアレイ５の各セルの像は、重畳レンズ７により、被照明物３上にいて重ね合わされる。そのため、被照明物３上においては、照度分布が均一で、かつ、高効率の照明が行われる。

ここで、第２のフライアイレンズアレイ６がこの照明光学系における開口絞りにあたることから、照明光学系のＦナンバは、第２のフライアイレンズアレイ６の各セルの口径と、重畳レンズ７の焦点距離ｆとによって決定される。また、第２のフライアイレンズアレイ６は、共役関係にある第１のフライアイレンズアレイ５と被照明物３との間で開口絞りになっている。そのため、開口絞りの像は、光源１の像になっている。

図４は、第２のフライアイレンズアレイ６上に形成される光源像を示す側面図である。

前述のように、本発明に係る照明光学系は、インテグレータ光学系であって、ケラー照明の集合体といえる。１組のケラー照明に関して考えると、図４中の（ａ）に示すように、第１のフライアイレンズアレイ５上のレンズ面Ａは、共役な関係にある被照明物３上の照明エリアＡ´に拡大結像されることになる。このとき、光源１からの光が照明に使用される効率を考えると、光源１からの光線が、レンズ面Ａにより、開口絞りである第２のフライアイレンズアレイ６のレンズＢ上に集光されるときが、最も高効率になる。

一方、被照明物３上の照明領域は、レンズ面Ａと共役な関係にあるので、図４中の（ｂ）に示すように、レンズ面Ａを被照明物３上に結像する光学系の焦点距離ｆとすると、照明領域Ａ´の倍率βは、ニュー卜ンの公式により、以下のような関係にある。
β＝Ａ´／Ａ＝Ｓ´／Ｓ
ただし、Ｓは、レンズ面ＡからレンズＢまでの距離であり、Ｓ´は、レンズＢから照明領域Ａ´（被照明物３）までの距離である。ここで、Ｓ及びＳ´は、それぞれレンズ面ＡからレンズＢの物体側主面までの距離及びレンズＢの像側主面から照明領域Ａ´までの距離である。

ここで、レンズ面Ａは、レンズではあるが光束を集光するためのレンズであり、レンズ面Ａの照明領域Ａ´に対する結像関係には何も寄与しない。そして、レンズＡ面とレンズＢとの間隔（第１のフライアイレンズアレイ５と第２のフライアイレンズアレイ６との間隔）を変えると、前記の式において、Ｓを変化させることになる。そして、Ｓを小さくすると、結像倍率βは大きくなり、逆に、Ｓを大きくすると、結像倍率βは小さくなる。

図５は、本発明に係る照明光学系の第１の実施例における構成を示す側面図である。

この照明光学系においては、光源１として、超高圧水銀ランプ等の放電ランプ等を用い、このランプから出射された光束を放物面リフレクタ８によって略平行光として、第１のフライアイインテグレータ５に入射させる。第１のフライアイレンズアレイ５を透過した光束は、第２のフライアイレンズアレイ６の相対する各セルに集光される。

そして、第２のフライアイレンズアレイ６を透過した光束は、ＰＢＳアレイ９に入射される。このＰＢＳアレイ９は、ＰＳ合成プリズムであり、第２のフライアイレンズアレイ６を透過した無偏光光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、λ／２板（二分の一波長板）によりＳ偏光成分をＰ偏光成分に変換（あるいは、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分に変換）することにより、照明光の偏光方向を一定の方向に揃える光学素子である。

ＰＢＳアレイ９を透過した光束は、重畳レンズ７により、被照明物３となる空間光変調素子上の照明領域に集光される。照明領域に集光された光束の形状は、第１のフライアイレンズアレイ５の各セルに相似形の結像であり、すべてのセルの像が重ね合わせられたものである。照明領域における集光の状態によって、画像表示装置における表示画像の明るさと面内輝度の均一性が決まる。

この照明光学系においては、重畳レンズ７は、図５中に矢印Ａで示すように、光軸に沿って移動操作可能となされており、ＰＢＳアレイ９に対する距離が調整可能となっている。重畳レンズ７を光軸方向に移動操作する機構としては、カム機構など、種々の機構を使用することができる。

図６は、本発明に係る照明光学系において重畳レンズ７を移動操作する前後の状態を示す側面図である。

図７は、本発明に係る照明光学系において重畳レンズ７の移動による照明領域の変化を示す正面図である。

そして、図６中の（ａ）に示す状態から、図６中の（ｂ）に示すように、この照明光学系において、重畳レンズ７を光軸に沿ってＰＢＳアレイ９に近づける方向に移動操作すると、図７に示すように、第１のフライアイレンズアレイ５の照明領域における結像倍率が大きくなる。すると、単位面積当たりの光束量（輝度）が小さくなり、照明光として暗くなる。このとき、開口絞りである第２のフライアイレンズアレイ６の位置及び口径は変化しないので、照明光学系としてのＦナンバは変化しない。

図８は、本発明に係る照明光学系における重畳レンズ７の移動と照明領域における輝度との関係を示すグラフである。

前述のように、この照明光学系においては、重畳レンズ７を光軸に沿って移動操作し、ＰＢＳアレイ９に対する距離を調整することにより、光学系としてのＦナンバを変えることなく、また、光源１の出力を変化させることなく、図８に示すように、照明領域における輝度を変化させることが可能である。なお、重畳レンズ７の移動量は、実用上、１０ｍｍ程度で十分である。

なお、この照明光学系を有する照明装置を用いて、画像表示装置を構成するには、照明装置によって照明される空間光変調素子の像を、図示しない投射光学系（投射レンズ）により、スクリーン上に拡大して結像させる。このとき、空間光変調素子が偏光変調を行う素子である場合には、空間光変調素子を経た照明光のうち、偏光変調された成分と偏光変調されていない成分とを、偏光ビームスプリッタのような偏光分離素子によって分離させ、偏光変調された成分のみを投射光学系に導くようにする。

さらに、カラー画像を表示する画像表示装置を構成するには、光源からの光束をダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムのような分光素子によって色分解し、Ｒ（赤色）用の照明光学系及び空間光変調素子、Ｇ（緑色）用の照明光学系及び空間光変調素子、Ｂ（青色）用の照明光学系及び空間光変調素子のそれぞれに単色光を入射させ、各空間光変調素子を経て変調された光束をダイクロイックプリズムのような分光素子によって色合成して、投射光学系に導くようにする。そして、投射光学系により、各空間光変調素子の像をスクリーン上に拡大して結像させる。

図９は、本発明に係る照明光学系の第２の実施例における構成を示す側面図である。

実施例２に係る照明光学系は、図９に示すように、ロッドインテグレータやライトパイプ、ライトチューブなど、光源１からの光束が一端側より入射され、この光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有する柱状インテグレータ１０を備え、この柱状インテグレータ１０を経た光束により被照明物３を照明する照明光学系としても構成することができる。

この照明光学系を用いた照明装置においては、光源１として超高圧水銀ランプ等の放電ランプ等を用い、このランプから出射された光束を放物面リフレクタ８によって略平行光とし、集光レンズ１１によって集光させて、柱状インテグレータ１０の一端側に入射させる。柱状インテグレータ１０に入射された光束は、この柱状インテグレータ１０の内面において多重反射されて輝度分布を均一化されて、柱状インテグレータ１０の他端側より出射される。柱状インテグレータ１０より出射された光束は、重畳レンズ７により、被照明物３となる空間光変調素子上の照明領域に集光される。

図１０は、柱状インテグレータであるロッドインテグレータの構成を示す断面図である。

柱状インテグレータ１０は、図１０に示すように、ロッドインテグレータとして構成することができる。このロッドインテグレータは、透明材料により、照明領域に対する相似形である矩形の断面形状を有する角柱状に一体的に形成されている。このロッドインテグレータにおいては、一端側から小さい入射角で入射した光束は、このロッドインテグレータを透過して他端側に到達するとともに、一端側から大きな入射角で入射した光束は、このロッドインテグレータの各側面部において内面反射を繰返して、他端側に到達する。このようにロッドインテグレータ内で内面反射を繰返した光束を重畳レンズ７によって空間光変調素子上の照明領域に集光することにより、この照明領域における輝度が均一化される。

図１１は、柱状インテグレータであるライトパイプ（ライトチューブ）の構成を示す断面図である。

また、柱状インテグレータ１０は、図１１に示すように、ライトパイプ（ライトチューブ）として構成することができる。このライトパイプ（ライトチューブ）は、中空の筒状に形成され、中空部の断面形状が照明領域に相似形の矩形となっている。このライトパイプ（ライトチューブ）においては、一端側から小さい入射角で入射した光束は、このライトパイプ（ライトチューブ）内を通過して他端側に到達するとともに、一端側から大きな入射角で入射した光束は、このライトパイプ（ライトチューブ）の各側壁の内面において繰返し反射されて、他端側に到達する。このようにライトパイプ（ライトチューブ）内での反射を繰返した光束を重畳レンズ７によって空間光変調素子上の照明領域に集光することにより、この照明領域における輝度が均一化される。

重畳レンズ７は、図９中に矢印Ｂで示すように、光軸に沿って移動操作可能となされ、被照明物３に対する距離が調整可能となっている。重畳レンズ７を光軸方向に移動操作する機構としては、カム機構など、種々の機構を使用することができる。

この照明光学系においても、重畳レンズ７を光軸に沿って移動操作し、被照明物３に対する距離を調整することにより、前述の第１の実施例における照明光学系と同様に、光学系としてのＦナンバを変えることなく、また、光源１の出力を変化させることなく、照明光の輝度を調整することができる。

照明装置の照明光学系として使用されるクリティカル照明の原理を説明する斜視図である。 照明装置の照明光学系として使用されるケラー照明の原理を説明する斜視図である。 発明に係る照明光学系の原理を説明する斜視図である。 前記照明光学系において、第２のフライアイレンズアレイ上に形成される光源像を示す側面図である。 前記照明光学系の第１の実施例における構成を示す側面図である。 前記照明光学系において重畳レンズを移動操作する前後の状態を示す側面図である。 前記照明光学系において重畳レンズの移動による照明領域の変化を示す正面図である。 前記照明光学系における重畳レンズと照明領域における輝度との関係を示すグラフである。 本発明に係る照明光学系の第２の実施例における構成を示す側面図である。 前記照明光学系における柱状インテグレータであるロッドインテグレータの構成を示す断面図である。 前記照明光学系における柱状インテグレータであるライトパイプ（ライトチューブ）の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 光源
２ コンデンサレンズ
３ 被照明物
５ 第１のフライアイレンズアレイ
６ 第２のフライアイレンズアレイ
７ 重畳レンズ
１０ 柱状インテグレータ

Claims (2)

1. 光源からの光束が入射される第１のフライアイレンズアレイと、この第１のフライアイレンズアレイを経た光束が入射される第２のフライアイレンズアレイと、重畳レンズとを備え、前記第２のフライアイレンズアレイを経た光束を前記重畳レンズにより、前記第１のフライアイレンズアレイに対して略共役の位置にある被照明物を照明する照明光学系において、
   光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。
2. 光源からの光束が一端側より入射され該光束を内面反射させつつ他端側より出射する柱状の領域を有するインテグレータと重畳レンズとを備え、このインテグレータを経た光束を前記重畳レンズにより、被照明物を照明する照明光学系において、
   光軸に沿って前記重畳レンズを移動操作可能とすることにより、前記被照明物を照明する光束を調整する調整手段を有することを特徴とする照明光学系。
   
   

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