JP4935089B2 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過型あるいは反射型液晶（Liquid Crystal on Silicon）パネル映像表示素子などのライトバルブ素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型ディスプレイ装置等の投射型映像表示装置に関する。

従来から、投射型映像表示装置における光源に発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）を用いる技術が検討されている。従来の表示デバイスのバックライトに用いる白色ＬＥＤ光源として、青色ＬＥＤと蛍光体を用いた技術が、特開2002-270020号公報に開示されている。また、投射型映像表示装置の構成の一例として、ＬＥＤ光源を用いた投射型映像表示装置が特開2001-343706号公報に開示されている。

特開2002-270020号公報 特開2001-343706号公報

従来の白色ＬＥＤ光源は、青色ＬＥＤ近傍に蛍光体を分布した樹脂層を配置し、青色ＬＥＤと蛍光体を一体構成としていた。本構成の場合、蛍光体を含んだ樹脂を青色ＬＥＤ近傍に形成することが、高コストの原因となっていた。また、白色ＬＥＤから出射する光の色温度のばらつきを少なくするためには、樹脂内に蛍光体をできるだけ均等に分散する必要があり、これが歩留まりを悪化させ、高コストの原因となっていた。

本発明の一面における光源ユニットは、発光ダイオードを有し、発光ダイオードと対向する位置に反射素子を有し、発光ダイオード、反射素子と直交する位置に、蛍光素子を配置した構成とする。

ＬＥＤ光源、または、それを用いた投射型映像表示装置にて、低コスト化を実現する。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。

図１は、青色ＬＥＤ１の配置例の一例を示す図である。投射型映像表示装置に用いる光源ユニットを示している。

図１（a）においては、ＬＥＤ１を、複数個、一定の間隔を設けて配置している。一定の間隔を設けているのは、冷却を容易にするためである。即ち、ＬＥＤ１は、光の出射時、自身の発生する熱のために、高温化する。冷却のために、ヒートシンク２をＬＥＤの出射面の反対側に付けているが、冷却能力には限界がある。よって、本発明のように、一定間隔をおいてＬＥＤを配置し、冷却を容易にしている。ＬＥＤの出射光束量は温度に依存し、高温になるほど、減少する。よって、ここでは、冷却を容易にして、高温化を防ぎ、出射光束量を増大している。

ただし、一定の間隔を空けたままでは、光源が疎に散らばるため、この光源を図３に示すような投射型映像表示装置の光源として用いた場合、光源より後流の光学系にて、光の利用効率が悪い。そこで、図１（ａ）に示す通りに、ＬＥＤの直後に２倍のピッチを有する偏光変換素子を配置する。これにより、光は偏光分離膜にて分離され、２光路に分けられ、光を密に展開できる。しかも、偏光変換を行うことにより、偏光板、液晶パネルを用いた投射型映像表示装置では、光の利用効率を２倍にすることができる。即ち、本構成により、冷却を容易にして、高温化を防ぎ、これにより、ＬＥＤの出射光束量を上げる。また、偏光分離素子を、冷却のために空けた間隔を利用して配置することにより、光の利用効率を上げることができる。

図１（ｂ）は、本発明における一実施の形態の構成図であり、投射型映像表示装置に用いる光源ユニットを示している。図１（ｂ）の構成の場合、２個のＬＥＤに対して、１個の微小なレンズ４aを用いていて、レンズにより集光した光を偏光変換素子３に入射する。本構成の場合、図１（ａ）に比べてＬＥＤの発熱量が少ない場合に適している。発熱量が少ないために、図１（ａ）に比べてＬＥＤを密に配置できる。ただし、この場合、ＬＥＤの直後に偏光変換素子を配置すると、偏光変換素子のピッチに比べてＬＥＤのピッチが密であるために、ＬＥＤからの光を偏光変換素子に取り込めない。偏光変換素子の入射開口は、その構成上、１ピッチおきとなる。即ち、有効な入射開口に隣接する開口に入射した光は有効に活用することができず、損失光となる。そこで、図１（ｂ）に示す通りに、ＬＥＤと偏光変換素子の間に微小なレンズ４aを配置する。即ち、ＬＥＤから出射した光をレンズにて集光して、偏光変換素子３の入射開口に入射する。これにより、偏光変換素子により多くの光を取り込み、光の利用効率を向上する。

図１（ｃ）は、投射型映像表示装置に用いる光源ユニットの他の例を示している。本構成は、図１（ａ）の場合より、光の広がり角度の広いＬＥＤに適する。そのようなＬＥＤに対しては、図に示す通りに、レンズを配置して、集光してから、偏光変換素子に入射することにより、偏光変換素子への光の取込光量を増加し、光の利用効率を向上する。ここでは、微小なレンズの光軸が、ＬＥＤの略中央に来るように配置している。これにより、光を偏光変換素子の入射開口上のスポットを最小にでき、光の取込効果を増すことができる。

図示しないが、縦長のＬＥＤを用いた場合、レンズの代わりに、シリンドリカルレンズを用いてもよい。偏光変換素子は縦長の入射開口を有するので、レンズの数を減らすことができ、低コスト化できる。

次に、図２を用いて、本発明における光学ユニットの実施の形態について説明する。図２（ａ）は、ライトバルブとして透過型液晶パネルを１枚用いた投射型映像表示装置を示している。光源としては青色光を出射するＢ用ＬＥＤ光源１Ｂを用いる。光源ユニットの構成としては、図１に示した構成のＬＥＤ光源を用いることとする。Ｂ用ＬＥＤ光源から出射した光は、ライトパイプ９を経由して、透過型液晶パネル１２、あるいは、反射素子としての反射ミラー７、あるいは、蛍光素子としての蛍光体６に方に進む。反射ミラー７に向かった光は、反射ミラー７で反射され、蛍光体、Ｂ用ＬＥＤ光源、もしくは透過型液晶パネルに進む。

青色光が蛍光体６に当たると、蛍光体が励起され、蛍光体から緑から赤の範囲の光が出射される。この光は、ライトパイプ９中にて、Ｂ用ＬＥＤからの青色光と混ざり合い、白色光となる。このように、照度を均一化するために用いるライトパイプにて白色の作成も行うことにより、混色するための専用部品をカットできるので、装置の小型化、低コスト化が可能である。通常の白色ＬＥＤと異なり、Ｂ用ＬＥＤと蛍光体を、別個に作成できるために、Ｂ用ＬＥＤの近傍に蛍光体を樹脂層内に分散させて配置する必要がなく、その工程がカットできることにより、コストダウン可能である。また、一般的なＢ用ＬＥＤを使用でき、蛍光体も、全く、別個に作成できるので歩留まりが向上し、コストダウン可能である。

透過型パネルの方に向かう光は、ライトパイプ９の界面で何度も反射を繰り返す間に、その出射面では、略均一な照度分布となって、出射する。出射光は、偏光をそろえる光学素子、例えば入射側偏光板１０により特定偏光に揃えて、電子式の時分割光学特性切替素子１１に入射する。

時分割光学特性切替素子１１は、特定波長帯域と、特定波長帯域以外の波長帯域とで、異なる偏光軸を有する出射光に変換し、かつ、この特定波長帯域を周期的に切り替える。例えば、時分割光学特性切替素子１１からの出射光は、ある時点で赤がＳ偏光、青と緑はＰ偏光、次の時点で青がＳ偏光、赤と緑はＰ偏光、その次の時点で緑がＳ偏光、青と赤はＰ偏光となり、上記３つの状態を周期的に切り替える。その後の光路で、特定の偏光軸、ここではＳ偏光のみ透過し、P偏光は吸収する入射側偏光板１０に入射させることにより、ある時点で赤のみ反射、次に青、次に緑のみ反射することになる。不要色はＳ偏光ゆえ、偏光板１０に吸収され、液晶パネル１２へ入射することはない。上記により、時分割色分離が行われた後、光は変調素子である透過型液晶パネル１２を照射する。

時分割光学特性切替素子１１は、各色用のＲ偏光回転制御素子、Ｇ偏光回転制御素子、Ｂ偏光回転制御素子を有し、偏光回転制御素子は、これに電圧を印加しないと、特定波長域の光の偏光軸が変換され、電圧を印加すると光の偏光軸が変換されずにそのまま出射される。これにより、時分割光学特性切替素子１１はＲ、Ｇ、Ｂと順次、各色の偏光を変換する。ここでは、時分割光学特性切替素子１１にS偏光で入射するので、ＧとＢを、次のタイミングにＢとＲ、次のタイミングにＲとＧをＰ偏光に変換して出射する。

出射側に配置された入射側偏光板１０により、Ｐ偏光は透過し、Ｓ偏光は吸収されるので、液晶パネル１２側へはＲ、Ｇ、Ｂの順で出射される。この色光の照射のタイミングに合わせて、液晶パネル１２で各色用の映像を表示する。この各色光の切替のタイミングは速いので、スクリーン（図示せず）上に投射される映像は、人間の目には、３色の映像が合成されたものとして表示される。

この液晶パネル１２には、表示する画素に対応する（例えば横１０２４画素縦７６８画素など）数の液晶表示部が設けてある。そして、外部より入力される信号に従って、液晶パネル１２の各画素の偏光角度が変わり、最終的に入射の偏光方向と直交方向になった光が出射され、偏光方向の一致した光が出射側偏光板１０’により検光される。この途中の角度の偏光を持った光は、出射側偏光板１０’の偏光度との関係で出射側偏光板１０’を通る光の量と検光（吸収）される量とが決まる。このようにして、外部信号に従った画像を投影する。

その後、映像である光は、例えばズームレンズである投射レンズ１３を通過し、スクリーンに到達する。投射レンズ１３により、液晶パネル１２に形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。

これにより、光源をＢ用のみとすることによる小型化、Ｒ用とＧ用の光源を不要とすることにより低コスト化が可能である。また、光源がＢ用のみであるので、発熱量の低減が可能である。そして、それに伴うヒートシンクの体積の減少による小型化、また、冷却ファンの小型化による低騒音化も可能である。また、色合成部品を用いないことによる低コスト化も可能である。

図２（ｂ）は、光学ユニットの他の実施の形態の構成図であり、ライトバルブとして透過型液晶パネルを１枚用いた投射型映像表示装置を示している。光源としては青色光を出射するＢ用ＬＥＤ光源１Ｂを用いる。

ＬＥＤ光源１Ｂを出射した光は偏光分離素子８に入射する。ＬＥＤ光源１Ｂを出射した光は略楕円偏光であるから、その内のＰ偏光は、偏光分離素膜８ａを透過し、Ｓ偏光は反射する。反射したＳ偏光光は蛍光体６に入射する。青色光が蛍光体６に当たると、蛍光体が励起され、蛍光体から緑から赤の範囲の光が出射される。この光のうち、Ｐ偏光のみが偏光分離素子８を透過して、ライトパイプ９に入射する。

青色光のうち、Ｐ偏光光は、偏光分離膜８ａを透過し、反射ミラー７にて反射されて、その経路にて１／４波長位相差板１４を２回通るので、偏光軸が９０度、回転してＳ偏光へ変換される。Ｓ偏光は、偏光分離膜にて反射され、ライトパイプ９に入射する。ライトパイプ内の光線は、硝材と空気の屈折率差のために、入射角が全反射角以上であると、その界面で全反射する。ライトパイプの界面での全反射の繰り返しによって、出射面における照度の分布を略均一化して、出射する。また、ライトパイプとして、ガラスの直方体の替わりに、断面形状が矩形の空洞を形成するミラーパイプを用いても、同様の効果を得ることができる。その内側の反射面で光を複数回、反射させることにより、その出射面の照度の分布を、略均一化してから出射する。ミラーパイプは、４枚のミラーを、反射面を内側にして貼り合わせて作成する。

ライトパイプに入射した青色光と赤緑光は、界面にて幾度も反射を繰り返す過程で混ざり、また、その出射面では、略均一な照度分布となって、出射する。ライトパイプを出射した光は、特定波長選択変換波長板に入射する。この特定波長選択変換波長板は、青色光だけ偏光を変換し、赤緑光は、そのまま、出射する機能を有する。よって、特定波長選択変換波長板を透過した青色光は、Ｐ偏光に変換されて出射する。また、赤緑光は、Ｐ偏光のまま、出射される。よって、ここで、全ての色の偏光をＰ偏光光に揃えることができるので、偏光板でカットされることがなく、光の利用効率の向上が可能となる。

この後に、ここで、Ｐ偏光の純度をより高めるために配置した、Ｐ偏光のみを透過する反射型偏光板１０ｒに入射する。これを出射した光は、色切替素子１１に入射する。色切替素子１１以降、投射レンズ１３までの構成、効果は図２（ａ）と同一である。

なお、図２（ａ）（ｂ）では、Ｂ用ＬＥＤ光源を用いて説明したが、変わりに近紫外光源を用いても、同様の効果を得ることが可能である。また、インテグレータとしてライトパイプを用いて説明したが、ロッドレンズや、周囲を反射ミラーで囲まれた筒で実現してもよい。

図３は、本発明における投射型映像表示装置の一例を示す構成図である。ライトバルブとして透過型液晶パネルを３枚用いた投射型映像表示装置を示している。

ここでは、リフレクタ３１の内面に蛍光体６を塗布している。リフレクタの焦点位置に配置したＢ用ＬＥＤ光源１Ｂより青色光を出射する。この青色光がリフレクタ面に当たると、蛍光体が励起され、赤から緑の光が出射する。これにより、ＬＥＤから出射された青色光と共に、白色光を形成する。これにより、光源をＢ用のみとすることによる小型化、Ｒ用とＧ用の光源を不要とすることにより低コスト化が可能である。また、光源がＢ用のみであるので、発熱量の低減が可能である。そして、それに伴うヒートシンクの体積の減少による小型化、また、冷却ファンの小型化による低騒音化も可能である。

このリフレクタの出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた複数の集光レンズにより構成され、光源ユニットから出射した光を集光して、複数の２次光源像を形成するための第一のアレイレンズ２５に入射し、さらに複数の集光レンズにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、かつ液晶パネル１２Ｒ、Ｇ、Ｂに第一のアレイレンズ２５の個々のレンズ像を結像させる第二のアレイレンズ２６を透過する。この出射光は偏光変換素子２７へ入射する。

このプリズム面には偏光分離膜が施されており、入射光は、この偏光分離膜にてＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、そのまま偏光分離膜を透過して、出射される。一方、Ｓ偏光光は、偏光分離膜により反射され、隣接する菱形プリズム内で本来の光軸方向にもう一度反射してから、このプリズムの出射面に設けられたλ／２位相差板により、偏光方向が９０°回転され、Ｐ偏光光に変換され出射される。即ち、偏光変換素子３からはＰ偏光の光が出射される。

コリメータレンズ２３は、正の屈折力を有し、光を集光させる作用を持ち、光は、反射ミラー７で光路を略９０度曲げられ、各色ＲＧＢ３枚の透過型液晶パネル１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを照射する。

コリメータレンズ８を透過した光は、Ｒ光を透過、Ｂ光及びＧ光を反射するダイクロイックミラー２１に入射する。ダイクロイックミラー２１を透過したＲ光は、反射ミラー７で反射して、光路を略９０度変更され、コンデンサレンズ２４に入射し、Ｒ用透過型液晶パネル１２Ｒに集光される。ダイクロイックミラー２１を反射したＧ光とＢ光は、Ｇ光を反射、Ｂ光を透過するダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２で反射されたＧ光は、コンデンサレンズ２４に入射して、Ｇ用透過型液晶パネル１２Ｇに集光される。ダイクロイックミラー２２を透過したＢ光は、リレーレンズ３０ａ、３０ｂ、３０ｃを経由してＢ用透過型液晶パネル１２Ｂに集光される。本装置は、映像表示素子を挟み込む形で配置された各色用の入射側偏光板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと出射側偏光板１０’Ｒ、１０’Ｇ、１０’Ｂにより、コントラスト性能を確保する。

透過型液晶パネルを透過した各色光はダイクロイッククロスプリズム２８に入射する。赤光は、赤反射膜２８Ｒにて反射し、青光は青反射膜２８Ｂにて反射して、緑光は赤反射膜２８Ｒ及び青反射膜２８Ｂを透過する。各色光はダイクロイッククロスプリズム１１にて合成して、出射され、投射レンズ１３に入射する。投射レンズ１３により、液晶パネルに形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能する。

また、上記実施の形態においては、ＬＥＤ光源を例に説明したが、無電極光源（プラズマ光源）を用いてもよく、各実施の形態の光学構成と組み合わせることにより、同様の効果が得られる。

また、上記光源は投射型映像表示装置に用いる実施の形態のみ説明したが、ニア・アイ用ディスプレイや携帯電話用モニターのバックライトなどの光源に用いても、光効率の利用向上、もしくは、小型化の効果が得られる。

光源ユニットの一例を示す図である。 光源ユニットの他の例を示す図である。 光源ユニットの他の例を示す図である。 光学ユニットの一例を示す図である。 光学ユニットの他の例を示す図である。 投射型映像表示装置の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１…ＬＥＤ光源、１Ｒ…Ｒ用ＬＥＤ光源、１Ｇ…Ｇ用ＬＥＤ光源、１Ｂ…Ｂ用ＬＥＤ光源、２…ヒートシンク、３…偏光変換素子、３ａ…偏光分離膜、３ｂ…１／２波長位相差板、４…微小なレンズ、５…光線、６…蛍光体、７…反射ミラー、８…偏光分離素子、８ａ…偏光分離膜、９…ライトパイプ、１０、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ…入射側偏光板、１０’、１０’Ｒ、１０’Ｇ、１０’Ｂ…出射側偏光板、１０ｒ…反射型偏光板、１１…電子式の時分割光学特性切替素子、１２、１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ…透過型液晶パネル、１３…投射レンズ、１４…特定波長選択変換波長板、１５…１／４波長位相差板、２１…赤透過色分離ミラー、２２…青透過色分離ミラー、２３…コリメータレンズ、２４…コンデンサレンズ、２５…第一アレイレンズ、２６…第２アレイレンズ、２７…偏光変換素子、２８…クロスダイクロイックプリズム、２８Ｒ…赤反射膜、２８Ｂ…青反射膜、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…リレーレンズ、３１…リフレクタ

Claims (2)

1. 青色光を出射する発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードと対向する位置に配置され、前記発光ダイオードの出射光を反射する反射素子と、
   前記発光ダイオード及び前記反射素子と直交する位置に配置され、前記発光ダイオードあるいは前記反射素子からの青色光により緑から赤の範囲の光を励起する蛍光素子を有し、
   前記蛍光素子と対向する位置に設けられ、前記発光ダイオードと前記蛍光素子と前記反射素子の光の入射面を有するインテグレータと、
   前記インテグレータから出射された光を変調するライトバルブと、
   前記ライトバルブで変調された光を投射する投射レンズを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   前記発光ダイオードと前記反射素子と前記蛍光素子に３面を囲まれた偏光分離プリズムを有することを特徴とする投射型映像表示装置。

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