JP2017195057A - 照明装置及びこれを用いた投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
光変調素子を照明する照明光学系と、
拡散素子と、固体光源と、前記固体光源からの光束を前記拡散素子に導く導光光学系と、を備える複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットからの光束を前記照明光学系に導く光路合成系と、を備える照明装置であって、
前記光路合成系からの光束を用いて前記照明光学系が形成する光源像が形成される領域のうち所定の領域を有効領域とし、前記複数の光源ユニットの個数をNとするとき、
前記有効領域を前記有効領域の第1の辺の方向あるいは前記第1の辺と直交する第2の辺の方向に沿ってN個に分割した領域の長辺方向と前記有効領域における前記光源像の長辺方向が平行である、
ことを特徴とする。
図1から図6を用いて本発明の第1実施例としての照明装置及び投射型表示装置の構成について説明する。
図1は、本実施例における照明装置の構成を示す構成図である。
各光源ユニットは、光源1(第1の固体光源1a、第2の固体光源1b)、コリメータレンズ2(2a、2b)、放物ミラーアレイ3(3a、3b)、平面ミラー4(4a、4b)、凹レンズ5(5a、5b)を備えている。さらに、後述の蛍光体9上(拡散素子上)のスポットの光強度分布を均一化するためのインテグレータ光学系として第1のレンズ面アレイ61(61a、61b)、第2のレンズ面アレイ62(62a、62b)を備えている。さらに、ダイクロイックミラー7(7a、7b)、集光レンズユニット8(8a、8b)、蛍光体9(第1の拡散素子9a、第2の拡散素子9b)と、を備えている。
蛍光体9からの蛍光光は集光レンズユニット8によって集光及び平行化され、光路合成系Bに入射する。光路合成系Bでは、各光源ユニットからの平行光が、凸レンズ(第1の集光光学系、第2の集光光学系)10によって合成プリズム(第1の反射素子)11の頂点近傍に集光される。合成プリズム11の頂点近傍は、集光レンズユニット8と凸レンズ10について蛍光体9と略共役の位置に配置されている。したがって、合成プリズム11の頂点近傍には蛍光体9上に形成されるスポットと相似形状の光源像が形成される。なお、2つの光源ユニットの光源像は合成プリズム11の頂点近傍において近接配置されており、近接配置された2つの光源ユニットからの光源像はあわせて1つの光源像として考えることもできる。
0.7≦d1/d2≦1.3 (1)
を満足するとよい。この条件式(1)は後述の図4(c)に示すように、第1の光源像と第2の光源像がほぼ隣接して配置されていることを意味している。条件式(1)を満たすと合成プリズム11で合成された光源像を小さくして後段の光学素子でけられる光束を減らすことで光の利用効率の低下を抑制することができるため好ましい。もちろんd1/d2の値は0.8以上1.2以下あるいは0.9以上1.1以下であれば、なお好ましい。
照明光学系Cに入射した光が第1のフライアイレンズ13によって分割光束にされることで、第2のフライアイレンズ14近傍に再び光源像が形成される。第2のフライアイレンズ14は平行化レンズ12と第1のフライアイレンズ13について光路合成系Bの合成プリズム11の頂点近傍と略共役の位置に配置されている。このため、第2のフライアイレンズ14の近傍に形成される光源像は合成プリズム11の頂点近傍に形成される光源像と相似形状である。
前述の照明光学系Cが備えるコンデンサレンズ16からの光束は、図13に示す色分離合成系Dに入射する。
投射光学系Eは、投射レンズ230を備えており、色分離合成系Dからの光を被投射面Sに導く。なお、投射レンズ230は図13に示す投射型表示装置Pに対して着脱可能であってもよく、投射光学系Eは投射レンズ230をその光軸と直交する方向に移動させるシフト機構をさらに備えていても良い。
前述の偏光変換素子15のうち偏光変換素子15に入射した光の偏光方向が所定の偏光方向に変換される領域とは異なる領域に入射した光束は所望の偏光方向とは異なる偏光方向となってしまう。そのような偏光方向の光束は前述の偏光板160に吸収あるいは反射されて光変調素子17へ入射しないため、光の利用効率が低下してしまう。つまり、偏光変換素子15上で所望の偏光方向に変換される領域を有効領域としたとき、この有効領域を通過する光束を多くすることが好ましい。
図3に本実施例における有効領域及び光源像の形状の関係を示す。図3(a)は本実施例における第1のレンズ面アレイ61を正面からみた図である。第1のレンズ面アレイが備える複数のレンズ面(第1のレンズ面)の短辺方向の寸法をxとし、長辺方向の寸法をyとするとき、本実施例では第1のレンズ面のアスペクト比はx:y=4:9になっている。前述のように蛍光体9上に形成されるスポットは第1のレンズ面アレイ61が備える複数のレンズ面と相似形になるため、蛍光体9上にはアスペクト比が4:9の長方形状のスポット(第1のスポット及び第2のスポット)が形成される。
0.7≦X1/Y1・Y2/X2≦1.3 (3)
を満足すればよい。上記の第1の辺方向及び第2の辺方向は一方が短辺方向、もう一方が長辺方向となってもよい。つまり、第1の辺方向が短辺方向の場合には、条件式(3)におけるX1は前述の条件式(2)におけるXと同義であり、Y1はYと同義である。また、有効領域をN個に分割した領域が正方形の場合には第1の辺と第2の辺が同じ長さになってもよい。
図4に従来技術に対する本発明の効果を表わす図を示す。上段及び中断は合成プリズム11上での光束及び光源像の振る舞いを示しており、下段は照明光学系の有効領域と光源像との関係を示す。
ここで、第1のレンズ面アレイ61のレンズ面形状と、光源である青色LDの発光面分布の関係について述べる。図5は本発明の各実施例において光源1として用いるLDの模式図である。図5(a)は図1と同じXZ断面についてその内部構造を描いた図である。
図6は第2のレンズ面アレイ62のレンズセル形状と光源1であるLDの発光面分布の関係を示した概略図である。本実施例における第2のレンズ面アレイ62が備える各レンズ面(第2のレンズ面)62Aの形状は第1のレンズ面アレイが備える第1のレンズ面と同様に4:9のアスペクト比を持つ形状である。
図7は、本発明の第2実施例としての照明装置の構成を示す図である。前述の第1実施例との違いは、照明光学系の有効領域を分割する方向と、これに対応して第1のレンズ面アレイ221及び第2のレンズ面アレイ222の各レンズ面の形状が異なる点である。さらに、合成プリズム11の代わりに合成ミラー23を用いている点も異なる。
図9は、本発明の第3実施例としての照明装置の構成を示す図である。前述の第1実施例との違いは偏光変換素子15を用いていない点である。さらに、液晶表示素子である光変調素子17の代わりに、反射面の角度を調節可能な複数のマイクロミラーを備えたマイクロミラーアレイである光変調素子171を用いた点も異なる。
図11は、本発明の第4実施例としての照明装置の構成を示す図である。さらに、液晶表示素子である光変調素子17の代わりに、反射面の角度を調節可能な複数のマイクロミラーを備えたマイクロミラーアレイである光変調素子171を用いた点も異なる。また、これらの違いに合わせて第1のレンズ面アレイ251及び第2のレンズ面アレイ252のレンズセルの形状も第1実施例と異なる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、光源ユニットAの個数は2つに限定されるものではなく3つや4つ以上であってもよい。
B 光路合成系
C 照明光学系
1a、1b 光源(固体光源)
9a、9b 蛍光体(拡散素子)
15 偏光変換素子
61a、61b 第1のレンズ面アレイ
62a、62b 第2のレンズ面アレイ
Claims (18)
- 光変調素子を照明する照明光学系と、
拡散素子と、固体光源と、前記固体光源からの光束を前記拡散素子に導く導光光学系と、を備える複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットからの光束を前記照明光学系に導く光路合成系と、を備える照明装置であって、
前記光路合成系からの光束を用いて前記照明光学系が形成する光源像が形成される領域のうち所定の領域を有効領域とし、前記複数の光源ユニットの個数をNとするとき、
前記有効領域を前記有効領域の第1の辺の方向あるいは前記第1の辺と直交する第2の辺の方向に沿ってN個に分割した領域の長辺方向と前記有効領域における前記光源像の長辺方向が平行である、
ことを特徴とする照明装置。 - 光変調素子を照明する照明光学系と、
拡散素子と、固体光源と、前記固体光源からの光束を前記拡散素子に導く導光光学系と、を備える複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットからの光束を前記照明光学系に導く光路合成系と、を備える照明装置であって、
前記光路合成系からの光束を用いて前記照明光学系が形成する光源像が形成される領域のうち所定の領域を有効領域とし、前記複数の光源ユニットの個数をNとするとき、
前記有効領域を前記有効領域の第1の辺の方向あるいは前記第1の辺と直交する第2の辺の方向に沿ってN個に分割した領域の前記第1の辺方向の寸法をX1とし、前記第2の辺方向の寸法をY1とし、前記有効領域における前記光源像の前記第1の辺方向の寸法をX2とし、前記第2の辺方向の寸法をY2とするとき、
0.7≦X1/Y1・Y2/X2≦1.3
を満足する、
ことを特徴とする照明装置。 - 前記光変調素子は、液晶表示素子であって、
前記照明光学系は、前記光路合成系からの光束を分割する第1のフライアイレンズと、前記第1のフライアイレンズからの光束を受光する第2のフライアイレンズと、偏光変換素子と、を備え、
前記有効領域は、前記偏光変換素子のうち前記偏光変換素子に入射した光の偏光方向が所定の偏光方向に変換される複数の領域の各々であって、
前記照明光学系の光軸と前記拡散素子の法線とに平行な断面を第1の断面とし、前記照明光学系の光軸と平行で前記第1の断面に直交する断面を第2の断面とし、
前記第1の断面における前記第1のフライアイレンズの幅をD1xとし、前記第2のフライアイレンズの幅をD2xとし、前記第2の断面における前記第1のフライアイレンズの幅をD1yとし、前記第2のフライアイレンズの幅をD2yとし、
前記第1の断面における圧縮率α及び前記第2の断面における圧縮率βを、
α=D2x/D1x
β=D2y/D1y
とし、
前記光変調素子の前記第1の断面における幅をX´とし、前記第2の断面における幅をY´とするとき、
前記有効領域のアスペクト比は、
(αX´/2)/βY´
あるいは、
αX´/(βY´/2)
である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の照明装置。 - 前記光変調素子は、反射面の角度を調節可能な複数のマイクロミラーを備えたマイクロミラーアレイであって、
前記照明光学系は、前記光路合成系からの光束を分割する第1のフライアイレンズと、前記第1のフライアイレンズからの光束を受光する第2のフライアイレンズと、を備え、
前記有効領域は、前記第2のフライアイレンズが備える複数のレンズセル上の領域であって、
前記照明光学系の光軸と前記拡散素子の法線とに平行な断面を第1の断面とし、前記照明光学系の光軸と平行で前記第1の断面に直交する断面を第2の断面とし、
前記第1の断面における前記第1のフライアイレンズの幅をD1xとし、前記第2のフライアイレンズの幅をD2xとし、前記第2の断面における前記第1のフライアイレンズの幅をD1yとし、前記第2のフライアイレンズの幅をD2yとし、
前記第1の断面における圧縮率α及び前記第2の断面における圧縮率βを、
α=D2x/D1x
β=D2y/D1y
とし、
前記光変調素子の前記第1の断面における幅をX´とし、前記第2の断面における幅をY´とするとき、
前記有効領域のアスペクト比は、
αX´/βY´
である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の照明装置。 - 前記光変調素子は、反射面の角度を調節可能な複数のマイクロミラーを備えたマイクロミラーアレイであって、
前記照明光学系は、ロッドインテグレータを備えており、
前記有効領域は、前記ロッドインテグレータの入射面上の領域である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の照明装置。 - 前記固体光源は、青色光または紫外光を射出し、
前記拡散素子は、前記固体光源からの光束の一部を前記固体光源からの光束と波長が異なる変換光に変換する波長変換素子である、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の照明装置。 - 前記複数の光源ユニットは、
前記固体光源として、赤色光を射出する第1の固体光源と、緑色光を射出する第2の固体光源と、青色光を射出する第3の固体光源と、
前記拡散素子として、前記第1の固体光源と前記第2の固体光源と前記第3の固体光源からの光束を拡散する拡散板と、を備える、
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の照明装置。 - 前記複数の光源ユニットは第1の光源ユニットと第2の光源ユニットとを備え、
前記光路合成系は、
第1の反射面と第2の反射面とを有する第1の反射素子と、
前記第1の光源ユニットからの光束を用いて前記第1の反射面上に第1の光源像を形成する第1の集光光学系と、
前記第2の光源ユニットからの光束を用いて前記第2の反射面上に第2の光源像を形成する第2の集光光学系と、を備える、
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の照明装置。 - 前記照明光学系の光軸方向視において、前記第1の光源像のうち少なくとも最大強度の80%までの領域は前記第1の反射面上に位置しており、前記第2の光源像のうち少なくとも最大強度の80%までの領域は前記第2の反射面上に位置している、
ことを特徴とする請求項9に記載の照明装置。 - 前記照明光学系の光軸方向視において、前記第1の光源像と前記第2の光源像との間の距離をd1とし、前記第1の光源像の幅のうち前記第1の光源像と前記第2の光源像が並んでいる方向の幅をd2とするとき、
0.7≦d1/d2≦1.3
を満足する、
ことを特徴とする請求項9または10に記載の照明装置。 - 前記導光光学系は、前記第2のレンズ面アレイからの光束を反射して前記拡散素子に導く第2の反射素子と、
前記第2の反射素子からの光束を前記拡散素子に導く第3の集光光学系と、を備える、
ことを特徴とする請求項6乃至11のいずれか一項に記載の照明装置。 - 前記第2の反射素子の法線と前記第3の集光光学系の光軸とを含む断面での前記第3の集光光学系の光軸と直交する方向において、前記第2の反射素子の幅は前記第3の集光光学系の幅よりも狭い、
ことを特徴とする請求項12に記載の照明装置。 - 前記固体光源は複数の固体光源であって、
前記導光光学系は、前記複数の固体光源からの光束を前記第1のレンズ面アレイに導くミラーアレイを備え、
前記ミラーアレイが有する複数のミラーは互いに形状の異なる放物面の一部である、
ことを特徴とする請求項6乃至13のいずれか一項に記載の照明装置。 - 光変調素子を照明する照明光学系と、
第1の拡散素子と、第1の固体光源と、前記第1の固体光源からの光束を前記第1の拡散素子に導く第1の導光光学系と、を備える第1の光源ユニットと、
第2の拡散素子と、第2の固体光源と、前記第2の固体光源からの光束を前記第2の拡散素子に導く第2の導光光学系と、を備える第2の光源ユニットと、
前記第1の光源ユニットからの光を反射して前記照明光学系に導く第1の反射面と、前記第2の光源ユニットからの光を反射して前記照明光学系に導く第2の反射面とを備える光路合成系と、を備える照明装置であって、
前記第1の光源ユニット及び第2の光源ユニットは、前記第1の固体光源からの光束を用いて前記第1の導光光学系が前記第1の拡散素子上に形成する第1のスポットの像が前記第1の反射面に向けて投影され、前記第2の固体光源からの光束を用いて前記第2の導光光学系が前記第2の拡散素子上に形成する第2のスポットの像が前記第2の反射面に向けて投影されるように構成してあり、
前記第1の導光光学系は、前記第1の拡散素子上の前記第1のスポットの光強度分布を均一化するための第1のインテグレータ光学系を備え、前記第2の導光光学系は、前記第2の拡散素子上の前記第2のスポットの光強度分布を均一化するための第2のインテグレータ光学系を備えている、
ことを特徴とする照明装置。 - 前記第1の光源ユニットと前記第2の光源ユニットは、それぞれ、前記第1のスポット及び前記第2のスポットとして長方形のスポットを前記第1の拡散素子及び前記第2の拡散素子上に形成し、
前記第1の光源ユニットから前記第1の反射面に向けて投影される前記長方形のスポットの像と、前記第2の光源ユニットから前記第2の反射面に向けて投影される前記長方形のスポットの像とは、前記長方形のスポットの短辺方向に並んでいる、
ことを特徴とする請求項15に記載の照明装置。 - 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の照明装置と、
前記光変調素子として、互いに異なる色光である第1の色光用の光変調素子と、第2の色光用の光変調素子と、第3の色光用の光変調素子と、
前記照明装置からの光束を前記第1の色光用の光変調素子と前記第2の色光用の光変調素子と前記第3の色光用の光変調素子に導くとともに、前記第1の色光用の光変調素子からの光束と前記第2の色光用の光変調素子からの光束と前記第3の色光用の光変調素子からの光束を受光する色分離合成系をさらに備える、
ことを特徴とする投射型表示装置。 - 前記色分離合成系からの光束を被投射面に導く投射光学系をさらに備える、
ことを特徴とする請求項17に記載の投射型表示装置。
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