JP2010026260A - 照明光学装置及びそれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】各々が、発光体９および発光体からの放射光を反射して集光する凹面鏡１０を有する複数の光源１ａ、１ｂと、複数の光源間の中央部に配置され、複数の光源からの放射光を反射する反射面２ａ、２ｂを有する光合成部材２と、光合成部材の反射面により反射された光を集光するロッドインテグレータ３とを備える。複数の光源からの放射光の各々の焦点１５ａ、１５ｂが、前記複数の光源からの放射光の各々の焦点が、前記光合成部材の反射面と前記ロッドインテグレータの光入射面との間であって、前記反射面と前記光入射面上以外の位置に位置する。
【選択図】図１

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放射光を反射する反射面を有する光合成部材と、前記光合成部材の反射面により反射された光を集光するロッドインテグレータとを備え、前記複数の光源からの放射光の各々の焦点が、前記光合成部材の反射面と前記ロッドインテグレータの光入射面との間であって、前記反射面と前記光入射面上以外の位置に位置することを特徴とする。

上記構成によれば、複数の光源からの放射光の焦点位置が、ロッドインテグレータの入射面上に位置する場合と比べて、集光スポットに集光される光束の範囲が広く、光源からの放射光に対する光合成部材の反射面での反射効率が高くなる。その結果、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、光出力の大きな照明光学装置を得ることができ、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、上記構成の照明光学装置において、前記光源からの放射光の光軸上における前記光合成部材の反射面と前記ロッドインテグレータの光入射面との間の間隔をＬとするとき、前記光軸上における前記光源からの放射光の焦点位置と前記ロッドインテグレータの光入射面との間の間隔ｄが、（Ｌ／Ａ）≦ｄの範囲に設定されていることが好ましい。

また、前記光軸上における前記光源からの放射光の焦点位置と前記ロッドインテグレータの光入射面との間の間隔ｄが、ｄ≦（Ｌ／Ｂ）の範囲に設定されていることが好ましい。

また、前記光合成部材の反射面により反射された後の前記光源からの放射光の光軸が、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、前記凹面鏡として楕円面鏡が用いられることが好ましい。また、前記光合成部材はプリズムにより構成することができる。

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、合成プリズム２、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。

光源１ａ、１ｂの各々のランプ９からの放射光は、楕円面鏡１０の誘電体多層膜１２により紫外光、赤外光成分が除去されるとともに集光されて、合成プリズム２に入射する。合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂ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。合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂは、反射後の光源１ａ、１ｂの光軸が、ロッドインテグレータ３の光軸１４と平行になるように調整されている。

一方、光源１ａ、１ｂの各々の楕円面鏡１０の第２焦点は、合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂとロッドインテグレータ３の入射面３ａとの間に位置するように調整されている。すなわち、楕円面鏡１０により集光される光は、反射面２ａ、２ｂにより反射された後、第２焦点近傍を集光ポイントとして集光スポット１５ａ、１５ｂを形成する。図１における反射面２ａ、２ｂとロッドインテグレータ３の入射面３ａの間の近傍を拡大して、図２Ａに示す。集光スポット１５ａ、１５ｂは、合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂ、及び入射面３ａから、それぞれ所定の間隔を隔てた位置に形成されている。合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂにより反射された後の光源１ａ、１ｂの光軸１６ａ、１６ｂは、ロッドインテグレータ３の光軸１４と平行である。

集光スポット１５ａ、１５ｂから発散する光は、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は、例えば、ガラスロッドからなる。

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からの放射光の集光スポット１５ａ、１５ｂは、合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂとロッドインテグレータ３の入射面３ａとの間に形成される。このような構成による効果について、図２Ｂを参照して説明する。なお、図２Ｂは図２Ａと同じ領域における断面図であり、本実施の形態の構成と、比較例の構成とを混在させて示す。すなわち、図２Ｂにおける上側が本実施の形態における集光スポット１５ａ、下側が比較例における集光スポット１７を示す。

図２Ｂにおける上側では、集光スポット１５ａが入射面３ａよりも手前に形成されている。下側では、集光スポット１７がロッドインテグレータ３の入射面３ａ上に形成されている。集光スポット１５ａに集光される反射面２ａからの反射光束の範囲の角度をθ１とする。これに対して、集光スポット１７に集光される反射面２ｂからの反射光束の範囲の角度をθ２とする。

θ１＞θ２であるから、反射面２ａを経由して集光スポット１５ａに集光される光束の範囲は、反射面２ｂを経由して集光スポット１７に集光される光束の範囲よりも広い。従って、本実施の形態の場合、比較例と比べて、光源１ａからの放射光に対する反射面２ａでの反射効率が高いことになる。これに対して、集光スポット１７の形成に関与する反射面２ｂでの反射効率を向上させようとすると、反射面２ｂを大きくする必要がある。また、その場合、反射面２ｂによる反射後の光源１ｂの光軸１６ｂの位置が、光軸１４から更に離れることになり、ロッドインテグレータ３の断面寸法も大きくする必要が生じる。それらにより、装置が大型化することは避けられない。

これに対して、本実施の形態の構成によれば、複数の光源１ａ、１ｂからの放射光の焦点位置、すなわち集光スポット１５ａ、１５ｂが、合成プリズム２の反射面２ａ、２ｂとロッドインテグレータ３の光入射面３ａとの間であって、反射面２ａ、２ｂと光入射面３ａ上以外の位置に位置するように設定されることにより、光源１ａからの放射光に対して、高い集光効率を得ることができる。

以上のような効果を実用上十分に得るためには、光軸１６ａ、１６ｂ上における光源１ａ、１ｂからの放射光の焦点位置、すなわち集光スポット１５ａ、１５ｂと、ロッドインテグレータ３の光入射面３ａとの間の間隔を、ロッドインテグレータ３の光入射面３ａの面積等を考慮して適切な範囲に設定することが望ましい。また、集光スポット１５ａ、１５ｂの位置を、反射面２ａ、２ｂから離間させる距離の範囲についても同様である。

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、合成プリズム２の構成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 同照明光学装置および比較例の作用を示す断面図 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
２ 合成プリズム
２ａ、２ｂ 反射面
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
１４ 光軸
１５ａ、１５ｂ、１７ 集光スポット
１６ａ、１６ｂ 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 (5)

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放射光を反射する反射面を有する光合成部材と、
   前記光合成部材の反射面により反射された光を集光するロッドインテグレータとを備え、
   前記複数の光源からの放射光の各々の焦点が、前記光合成部材の反射面と前記ロッドインテグレータの光入射面との間であって、前記反射面と前記光入射面上以外の位置に位置することを特徴とする照明光学装置。
2. 前記光合成部材の反射面により反射された後の前記光源からの放射光の光軸が、前記ロッドインテグレータの光軸と平行である請求項１に記載の照明光学装置。
3. 前記凹面鏡として楕円面鏡が用いられている請求項１または２に記載の照明光学装置。
4. 前記光合成部材はプリズムにより構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明光学装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に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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