JP2010066368A - 照明装置およびこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、複数のランプの放射光を合成して照明装置を構成する場合に、合成損失を抑制して、光出力の大きい照明装置を提供する。
【解決手段】ランプ１１、１２と、凹面鏡１３、１４と、平面ミラー１５、１６を備え、凹面鏡１３、１４は共通の光軸上に対向して配置し、平面ミラー１５、１６の反射面１５ａ、１６ａは、接辺１８が凹面鏡１３、１４の光軸１７と略一致するように配置する。凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された光軸１７に対して平面ミラー１５側の光と、凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された光軸１７に対して平面ミラー１５と反対側の光が重なり、凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された光軸１７に対して平面ミラー１５と反対側の光と、凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された光軸１７に対して平面ミラー１５側の光が重なる。平面ミラー１５、１６は、入射光を反射面１５ａ、１６ａで反射して、略同一の方向の合成光として出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば画像形成手段を照明するために用いる照明装置と、画像形成手段上に形成される光学像を、投写レンズによりスクリーン上に投写することのできる投写型表示装置に関するものである。

従来、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小型の画像形成手段をランプなどの光源からの光で照明し、その光学像を投写レンズにより拡大投写する、プロジェクタ等の投写型表示装置が知られており、画像形成手段として、空間変調素子である液晶パネルや、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）等を用いた投写型表示装置が実用化されている。

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高く、高輝度化の１つの方法として、複数の光源を用いて照明光を合成するようにした投写型表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、そのような投写型表示装置の概略構成図を示すものであり、投写型表示装置は、光源である放電ランプ７１、７２、楕円面鏡７３、７４、ＵＶ−ＩＲカットミラー７５、７６、平面ミラー７７、７８、反射プリズム７９、集光レンズ８０、第１レンズアレイ８１、第２レンズアレイ８２、ビーム合成レンズ８３、フィールドレンズ８４、液晶パネル８５、及び、投写レンズ８６から構成される。

放電ランプ７１、７２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る。

上記のように構成された投写型表示装置において、放電ランプ７１、７２から放射される光は、それぞれに対応して配置された楕円面鏡７３、７４により反射され、第２焦点方向に集光し、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ７５、７６で紫外光、赤外光成分を除去した後、平面ミラー７７、７８で光路が折り曲げられる。

楕円面鏡７３、７４の第２焦点近傍には反射プリズム７９を配置する。これにより、反射プリズム７９の反射面７９ａ、７９ｂ近傍には、放電ランプ７１、７２の放射光の集光スポットがそれぞれ形成される。

反射プリズム７９の反射面７９ａ、７９ｂは、表面に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７９で反射される光は発散光であり、集光レンズ８０に入射する。集光レンズ８０は、例えば、非球面の両凸レンズを用い、入射光を略平行光に変換する。

集光レンズ８０からの平行光束は、複数の矩形レンズで構成した第１レンズアレイ８１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、それぞれ複数の矩形レンズで構成した第２レンズアレイ８２の対応するレンズ上に収束する。

第２レンズアレイ８２上には、放電ランプ７１、７２の多数の像が形成される。第２レンズアレイ８２は、例えば第１レンズアレイ８１と同一の形状とすれば良い。

第２レンズアレイ８２の各矩形レンズは、対応する第１レンズアレイ８１の矩形レンズ面に入射した微小光束を拡大し、空間変調素子である液晶パネル８５を照明する。

ビーム合成レンズ８３は、第２レンズアレイ８２の各矩形レンズから出射した光を液晶パネル８５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８１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８５上で重ね合わせるので、液晶パネル８５上を均一に照明することができる。

フィールドレンズ８４は、液晶パネル８５上を照明する光を投写レンズ８６の瞳面に集光するためのものである。投写レンズ８５は、液晶パネル８５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ため、明るい投写型表示装置が構成できる。
特開２０００−３６１２号公報

上記特許文献１のような従来の構成では、反射プリズムを用いて複数のランプの放射光を合成していた。しかしながら、このような合成方法では、各ランプの光軸を同軸上に合成することができない。

具体的に、図４において、放電ランプ７１、７２の放射光のそれぞれの集光スポットは反射プリズム７９の反射面７９ａ、７９ｂ上で物理的に近接させることが難しいため、合成後の光軸８７と放電ランプ７１、７２の光軸７１ａ、７２ａは、同軸上に合成することが不可能である。その結果、合成後の光学系において光損失が大きくなるという課題があった。

２つのランプの放射光を合成する場合、合成損失が全くなければ合成後の光出力は２倍になる。しかし、一般的には、上記理由により、合成後の光出力は１．５倍〜１．６倍程度である。

また、上記構成では、２つのランプのうち、一個のランプが不点灯となった場合には、液晶パネルの光軸と液晶パネルを照明するランプの光軸がずれるため、色むら、明るさむらが発生する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、複数のランプを用いる場合に、合成損失を抑制して、光出力の大きい照明装置を提供することを目的とする。

また、この照明装置を用いて明るい投写画像を表示することのできる投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の照明装置は、第１および第２のランプと、前記第１および第２のランプのそれぞれに対応して設けられた第１および第２の凹面鏡と、前記第１および第２の凹面鏡の間に設けられた反射手段とを備え、前記第１および第２の凹面鏡は共通の光軸上に対向して配置され、対応する前記ランプの放射光を反射し、前記光軸に沿って略平行に進行する光として出射せしめ、前記反射手段は、前記第１および第２の凹面鏡のそれぞれに対応して設けられた第１および第２の反射面を有し、前記第１および第２の反射面はそれぞれの１辺が略直角の交角を有して接するとともに、その接辺は前記第１および第２の凹鏡の光軸と略一致するように配置され、前記第１および第２の反射面で反射された光が略同一の方向に反射されることを特徴とするものである。

この場合、第１および第２の反射面の接辺と、第１および第２の凹鏡の光軸上の中点とが略一致するように配置したものであれば好ましい。

また、第１および第２の凹面鏡は、放物面鏡であれば好ましい。

第１および第２の凹面鏡は、その反射面が非球面形状であれば好ましい。

また、ランプは超高圧水銀ランプであり、前記ランプを構成する発光管の外表面形状が非球面形状であれば好ましい。

また、ランプは超高圧水銀ランプであり、前記ランプを構成する発光管の外表面上に反射防止膜を蒸着したものであれば好ましい。

更に、本発明の他の照明装置は、前記照明装置を複数備え、前記複数の照明装置の出射光を略同一方向に進行する光となるように合成する光合成手段をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の投写型表示装置は、前記照明装置と、前記照明装置の出射光を集光して照明光を形成する集光手段と、前記照明光が入射して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を備えることを特徴とするものである。

集光手段は、複数のレンズからなる２枚のレンズアレイ板を有したものであれば好ましい。

以上のように本発明は、複数のランプを用いても、各ランプの光軸を共軸となるように合成することができるので、合成に伴う光損失がなくなり、光利用効率が高く光出力の大きい照明装置が構成できる。

また、本発明は、画像形成手段である空間光変調素子を比較的強い光で照明し、投写画像の輝度を高めることができるとともに、万一、一個のランプが不点灯となった場合でも、色むら、明るさむらの少ない投写型表示装置を実現することができる。

以下、本発明の照明装置及び本発明の照明装置を投写型表示装置に応用した場合の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明にかかる照明装置の第１の実施の形態を示す略構成図である。

図１において、１１、１２はランプ、１３、１４は凹面鏡、１５、１６は反射手段としての平面ミラーである。

ランプ１１、１２は、超高圧水銀ランプである。超高圧水銀ランプは、極めて輝度が高く、集光性に優れているので、効率よく集光することができる。

凹面鏡１３、１４は、放物面鏡であり、ランプの光源中心からの放射光を略平行光として反射する。凹面鏡１３、１４の反射面１３ａ、１４ａ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が形成されており、ランプ１１、１２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１１、１２は、それぞれの光源中心１１ａ、１２ａが、凹面鏡１３、１４の焦点位置と略一致するように配置されている。

これにより、凹面鏡１３、１４の反射面１３ａ、１４ａに入射した光は、光軸１７に沿って略平行に進行する光として反射される。

ここで、本実施形態のポイントについて説明する。本実施形態では、ランプ１１、１２の光源中心１１ａ、１２ａと凹面鏡１３、１４は、それぞれ共通の光軸１７上に対向して配置される。

同時に、凹面鏡１３、１４のそれぞれに対応して平面ミラー１５、１６が設けられ、平面ミラー１５、１６の反射面１５ａ、１６ａは、それぞれの１辺が略直角の交角を有して接しており、その接辺１８が、光軸１７と略一致するように配置される。

平面ミラー１５、１６の反射面１５ａ、１６ａにも凹面鏡１３、１４の反射面１３ａ、１４ａと同様に誘電体多層膜が形成されている。

上記のように構成された本実施の形態の照明装置による作用は以下の通りである。

ランプ１１の放射光のうち、光軸１７に対して平面ミラー１５側の光は、凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された後、平面ミラー１５に入射する。

一方、光軸１７に対して平面ミラー１５と反対側の光は、凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された後、光軸１７と略平行に進行して、凹面鏡１４の反射面１４ａに入射する。

凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された光は、ランプ１２を透過した後、凹面鏡１４の反射面１４ａに再入射し、反射されて光軸１７の略平行光となり、平面ミラー１６に入射する。

ランプ１２についても同様に、ランプ１２の放射光のうち、光軸１７に対して平面ミラー１６側の光は、凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された後、平面ミラー１６に入射する。

一方、光軸１７に対して平面ミラー１６と反対側の光は、凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された後、光軸１７と略平行に進行して、凹面鏡１３の反射面１３ａに入射する。

凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された光は、ランプ１１を透過した後、凹面鏡１３の反射面１３ａに再入射し、反射されて光軸１７の略平行光となり、平面ミラー１５に入射する。

つまり、凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された、光軸１７に対して平面ミラー１５側の光と、凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された、光軸１７に対して平面ミラー１５と反対側の光とが重なり、凹面鏡１３の反射面１３ａで反射された、光軸１７に対して平面ミラー１５と反対側の光と、凹面鏡１４の反射面１４ａで反射された、光軸１７に対して平面ミラー１５側の光とが重なって合成されることになる。

平面ミラー１５、１６は、入射光を反射面１５ａ、１６ａで反射して、略同一の方向の合成光として出射する。

上記構成により、凹面鏡１３、１４の出射光が略共軸かつ略同一方向に重ねられて進行する光となるように合成することができる。

したがって、合成による光損失が発生せず、ランプ１１、１２の放射光を極めて効率よく合成して集光することができる。

なお、ランプの光源中心部の発光管の外表面形状は、非球面形状であってもよい。特に超高圧水銀ランプのような高圧放電ランプは、所定の耐圧を得るために発光管の肉厚が厚く、均一でない（偏肉している）ことが多い。

この場合、ランプの光源中心から放射された光は発光管で屈折作用を受けるため、凹面鏡の反射光が光軸と平行になるようにするためには、発光管の外表面形状を非球面形状にする方が好ましい。

また、ランプの発光管の外表面に反射防止膜を蒸着すれば、外表面での反射を低減でき、凹面鏡の反射面からの戻り光を拡散しないようにすることができるので好ましい。

凹面鏡は、その反射面が放物面に限らない非球面形状であってもよく、反射後の光が光軸と略平行になるものであれば本発明と同様の効果を得ることができる。

平面ミラーの反射面の接辺は、凹面鏡の光軸上の中点と略一致するように配置した方が対向する２つのランプの放射光を有効に利用でき、合成に伴う損失を最小限に抑えることができる。

以上のように、本発明は、複数のランプの放射光を効率よく合成して集光することで、光出力の大きな照明装置を実現することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明にかかる照明装置の第２の実施の形態を示す略構成図である。

図２において、２１、２２は実施の形態１における図１と同一の照明装置、２３、２４は光合成手段としての平面ミラーである。

照明装置２１、２２の出射光は、平面ミラー２３、２４の反射面２３ａ、２４ａによって、略同一の方向に進行する光として合成されて反射される。

つまり、本実施の形態では、ランプを４灯使用することになり、２灯使用する実施の形態１の場合のほぼ２倍の光出力を得ることができる。

同様の構成を組み合わせれば、さらに大出力の合成光を得ることができる。

以上のように、本実施の形態では、簡単な構成で多灯化による高輝度化を実現することができ、複数ランプからなる照明装置の放射光を合成することで、より光出力の大きな照明装置を実現することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明にかかる投写型表示装置の実施の形態を示す略構成図である。

図３において、３１は照明装置、３６は集光手段、３７は画像形成手段である空間光変調素子、３８は投写レンズである。

照明装置３１は、実施の形態１における図１に示すものと同一であり、複数のランプの放射光を効率よく合成して出射する。

集光手段３６は、第１レンズアレイ３２、第２レンズアレイ３３、ビーム合成レンズ３４、及び、フィールドレンズ３５で構成される。

照明装置３１からの出射光は、複数の矩形レンズで構成した第１レンズアレイ３２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、それぞれ複数の矩形レンズで構成した第２レンズアレイ３３の対応するレンズ上に収束する。

本実施の形態において、第２レンズアレイ３３は、第１レンズアレイ３２と同一の形状としている。

第２レンズアレイ３３の各矩形レンズは、対応する第１レンズアレイ３２の矩形レンズ面に入射した微小光束を拡大し、空間光変調素子３７を照明する。

ビーム合成レンズ３４は、第２レンズアレイ３３の各矩形レンズから出射した光を空間光変調素子３７上で重ね合わせるために用いている。

第１レンズアレイ３２の入射光束を多数の微小光束に分割し、それらを拡大して空間光変調素子３７上で重ね合わせるので、空間光変調素子３７上を均一に照明することができる。

フィールドレンズ３５は、空間光変調素子３７上を照明する光を投写レンズ３８の瞳面（図示せず）に集光するためのものである。

空間光変調素子３７は、透過型の液晶パネルであり、照明光を受けて、透過率の変化として映像信号に応じた光学像を形成する。

投写レンズ３８は、空間光変調素子３７上に形成された光学像をスクリーン（図示せず）上に投影する。

以上のように、本発明は、複数のランプの放射光を効率よく合成できる照明装置を用いることで、非常に明るい投写型表示装置を実現することができる。

本実施の形態の投写型表示装置をキャビネット内に収め、キャビネットに取り付けられた透過型のスクリーンを介して表示画像を観察できる、背面投写型表示装置のような形態であってもよい。

空間光変調素子は、透過型液晶パネルに限定するものではなく、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）や反射型液晶パネルなどを用いてもよい。

以上、実施形態１から実施形態３において、ランプは超高圧水銀ランプを用いた例を示したが、キセノンランプやＬＥＤ、レーザー光源を用いたものであってもよい。

本発明にかかる照明装置は、複数のランプの放射光を合成する際に共軸化することができるので、合成による光損失が発生せず、明るい照明装置を実現する上で有効である。また、本発明の照明装置を用いれば、明るい投写型表示装置を実現する上で有用である。

本発明の照明装置の第１の実施形態を示す略構成図 本発明の照明装置の第２の実施形態を示す略構成図 本発明の投写型表示装置の実施形態を示す略構成図 従来の照明装置の一例を示す略構成図

符号の説明

１１、１２ ランプ
１１ａ、１２ａ 光源中心
１３、１４ 凹面鏡
１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、２３ａ、２４ａ 反射面
１５、１６、２３、２４ 平面ミラー
１７ 光軸
１８ 接辺
２１、２２、３１ 照明装置
３２ 第１レンズアレイ
３３ 第２レンズアレイ
３４ ビーム合成レンズ
３５ フィールドレンズ
３６ 集光手段
３７ 空間光変調素子
３８ 投写レンズ

Claims (10)

1. 第１および第２のランプと、
   前記第１および第２のランプのそれぞれに対応して設けられた第１および第２の凹面鏡と、
   前記第１および第２の凹面鏡の間に設けられた反射手段とを備え、
   前記第１および第２の凹面鏡は共通の光軸上に対向して配置され、対応する前記ランプの放射光を反射し、前記光軸に沿って略平行に進行する光として出射せしめ、
   前記反射手段は、前記第１および第２の凹面鏡のそれぞれに対応して設けられた第１および第２の反射面を有し、
   前記第１および第２の反射面はそれぞれの１辺が略直角の交角を有して接するとともに、その接辺は前記第１および第２の凹面鏡の光軸と略一致するように配置され、
   前記第１および第２の反射面で反射された光が略同一の方向に反射されることを特徴とする照明装置。
2. 第１および第２の反射面の接辺と、第１および第２の凹面鏡の光軸上の中点とが略一致するように配置されることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 第１および第２の凹面鏡は、放物面鏡であることを特徴とする請求項１または２記載の光源装置。
4. 第１および第２の凹面鏡は、その反射面が非球面形状であることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
5. ランプは超高圧水銀ランプであり、前記ランプを構成する発光管の外表面形状が非球面形状であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
6. ランプは超高圧水銀ランプであり、前記ランプを構成する発光管の外表面上に反射防止膜を蒸着することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
7. 請求項１に記載の照明装置を複数備え、
   前記複数の照明装置の出射光を略同一方向に進行する光となるように合成する光合成手段をさらに備えることを特徴とする照明装置。
8. 光合成手段は平面ミラーであることを特徴とする請求項７記載の照明装置。
9. 請求項１または請求項７のいずれかに記載の照明装置と、
   前記照明装置の出射光を集光して照明光を形成する集光手段と、
   前記照明光が入射して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を備えることを特徴とする投写型表示装置。
10. 集光手段は、複数のレンズからなる２枚のレンズアレイ板を有することを特徴とする請求項９記載の投写型表示装置。

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