JP4944496B2 - 照明装置とその照明装置を用いたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は照明装置とその照明装置を用いたプロジェクタに関し、特に光束分割手段を有する照明装置とその照明装置を用いたプロジェクタに関する。

従来のプロジェクタとして、角柱状のロッドインテグレータの入射端面に光源からの光束を入射させ、このロッドインテグレータの射出端には液晶パネルを配置し、ロッドインテグレータから射出する光を直接液晶パネルに入射させる照明光学系を有するプロジェクタが知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）。
特開２０００-１１２０３１号公報 特開２００４-１８４６１１号公報 "Ａ Ｈａｎｄｈｅｌｄ−Ｍｉｎｉ−Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ＵｓｉｎｇＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ"ＳＩＤ ０５ ＤＩＧＥＳＴ ｐｐ １７０６-１７０９

上述のようなプロジェクタでは、光学系の構成が簡素であり部品点数も少ないため、小型で低コストのプロジェクタを提供できる可能性がある。特に、光源に固体光源を使用すれば低消費電力となり、電池駆動可能なハンディタイプのプロジェクタも夢ではない。ところで、このような構成のプロジェクタでは、ロッドインテグレータの長さが長いほど液晶パネルを照射する光束の輝度の均一性が高くなることが知られている。なぜなら、ロッドインテグレータに入射する光源からの光束は、ロッドインテグレータ中の内面反射の繰り返しによって照度分布あるいは輝度分布が均一な光束とたるため、ロッドインテグレータの長さが長いほど内面反射の機会が増えるためである。しかしながら、ロッドインテグレータが長くなるということは、照明装置のサイズが大きくなり小型化の点で好ましくない。

本発明の目的は、ロッドインテグレータの長さが比較的短くとも十分な照明光の均一性が得られる小型で高効率な照明装置と、それを用いたプロジェクタを提供することにある。

本発明の照明装置は、
光源からの光を画像表示器に照射するロッドインテグレータを有する照明装置において、ロッドインテグレータの入射側に配置されて、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割手段を有し、光束分割手段は構成要素としてハーフミラーを有することを特徴とする。

光束分割手段は構成要素としてさらに他のハーフミラーおよび全反射ミラーを有してもよい。ハーフミラーの透過および反射割合は、ロッドインテグレータへの入射光が均一となるように設定されていてもよく、ハーフミラーは誘電体多層膜であってもよい。

光束分割手段では、入力する光束の光軸に垂直な方向に構成要素が整列状態に配置されており、ハーフミラーは入力する光束の光軸に対してその軸線が略４５度の角度となり、かつ該光束分割手段の中心線に対して対称に配置されていてもよい。また、ハーフミラーは、光源からの光束を画像表示器の表示面の水平方向または垂直方向に分割してもよい。光源はＬＥＤまたは半導体レーザであってもよい。

本発明のプロジェクタは、上述の照明装置と画像表示器と投写光学系とを備えたことを特徴とする。画像表示器が液晶パネルであってもよい。

光源からの光をロッドインテグレータの入射端面より入射させ、ロッドインテグレータにおいて矩形変換されて射出される光束を画像表示器に照射する照明装置において、ロッドインテグレータの入射端面の直前に光束分割素子を配置し、光束分割素子により分割されて調整された複数の光束をロッドインテグレータに入射させることにより、輝度分布の均一化が光束分離素子によっても行われるので、ロッドインテグレータの長さを短くでき、プロジェクタの小型化が図れる。

以上説明したように、本発明の照明装置とそれを用いたプロジェクタによれば、ロッドインテグレータの入射端面の直前に光束分割素子を配置し、光束分割素子により分割され調整された複数の光束をロッドインテグレータに入射させるので、ロッドインテグレータには、あたかも複数の光源が存在し、それらからの光束を入射させているのと等価となるので、積極的にロッドインテグレータの内面反射を利用することなく、即ち比較的短い長さのロッドインテグレータであっても均一な照明光を得ることができるという効果がある。その理由は、光束分割素子を構成するハーフミラーの特性を変化させることによって、光束分割素子による分割光束を任意の強度に制御することが可能であるので、ロッドインテグレータからの射出光束の輝度バランスを均一にすることができるからである。そして、このような照明装置を用いたプロジェクタにおいては、ロッドインテグレータの長さが比較的短いため、非常に小型のプロジェクタを提供できるという効果がある。

ロッドインテグレータの直前にて、光源からの光束を分割してそれぞれの強度を制御してロッドインテグレータに入射させることで、ロッドインテグレータの長さを大きくしなくとも均一な照明光を得ることができる小型の照明装置と、それを用いたプロジェクタを提供できることが本発明の特徴である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の照明装置を備えたプロジェクタの光学系の模式的構成図である。このプロジェクタ１の光学系１０は、照明装置２０と画像表示部３０と投写光学系４０とから構成される。照明装置２０は、光源２１と、３組の直列に配置された集光レンズ２２、２３、２４と、本願発明の特徴である光束分割素子５０と、ロッドインテグレータ２９とを有し、画像表示部３０の単一の画像表示器３１に対して、光源２１からのＲＧＢの光を時分割で照射する。画像表示器３１はここでは単板型の液晶表示器としているがこれに限定されるものではなく、格子状反射型画像形成素子（ＤＭＤ）に対しても適用することができる。

この実施の形態では、光源２１としては照明装置２０の小型化のために発光ダイオードが使用されている。光源２１としてはできるだけ多くの光量を発する発光ダイオードを使用することが好ましく、例えば、独オスラムオプトセミコンダクター社のＯｓｔａｒシリーズを使用することができる。この発光ダイオードは発光素子の大きさとしては約１ｍｍ×１ｍｍの大きさの発光チップ４個を隣接配置して構成されていて、全体として約２．１ｍｍ×２．１ｍｍの大きさを有する。４個全ての発光素子が同色のものと、４個のうち、赤色と青色の発光素子が１個ずつで、残りの２個が緑色の、赤青緑の発光素子が１パッケージのものもある。図１の例では後者すなわち赤青緑が１パッケージのものを使用している。しかし、光源としては発光ダイオードに限定されるものではなく半導体発光素子であってもよい。高圧放電ランプに対しても本発明は適用できるが、本発明の目的である照明装置の小型化の点からは余り望ましくない。

発光ダイオードから発する光束は一般に発散光であるので、この光束を効率良く光学系１０で利用するため、すなわち高効率で集光するために集光レンズ群が使用され、この例では３組の直列に配置された集光レンズ２２、２３、２４が使用されており、光源１１と集光レンズ２２、２３、２４とでＲＧＢ光源ユニット１２１が構成されている。光源２１に一番近い側から、ガラス製の半球形状の集光レンズ２２、同じくガラス製のメニスカス形状の集光レンズ２３、そしてガラス製の凸レンズからなる集光レンズ２４の構成となっている。

なお、これらのレンズの構成は、必ずしもこの組み合わせに限定されるものでなく適宜設計変更が可能である。例えば応用例として、赤、青、緑の発光ダイオードをそれぞれ光路が重なるように配置すれば、図２の如き構成になる。図２は図１の照明装置を備えたプロジェクタの光学系の応用例の模式的構成図である。

この例では、赤色の発光ダイオードと集光レンズ群とから構成される赤色光源ユニット１２２Ｒと、緑色の発光ダイオードと集光レンズ群とから構成される緑色光源ユニット１２２Ｇと、青色の発光ダイオードと集光レンズ群とから構成される青色光源ユニット１２２Ｂとから出射する光線を、周知技術であるクロスダイクロイックミラー２５により光路合成し、レンズ２６で光束分割素子５０を経由してロッドインテグレータ２９に出射している。

次に光束分割素子５０の構成を簡単に説明する。光束分割素子５０は入射した光束を複数の光束に分割する機能を有する。本実施の形態では、複数のプリズムを張り合わせて、貼り合わせ面にハーフミラーの蒸着処理したものが用いられている。なお、本願で述べているハーフミラーの定義としては、一般的な、光束を１：１に分離する特性のみを指すものでなく、任意の割合で分割する特性を有するものを指している。そのような透過、反射特性のミラーを設計および製造することは周知の技術として知られている。

光束分割素子５０の具体的な構成例を図３に示す。図３は第１の実施の形態の光束分割素子の構成例を示す模式的透視斜視図である。この構成例において、光束分割素子５１は、頂角が中心線に対してそれぞれ４５°のプリズム５０１と、断面が平行四辺形のプリズム５０２、５０３と、２つのプリズム５０４、５０５との合計５つのプリズムで構成されている。ここでプリズム５０１の２つの斜面５０６にハーフミラーが形成されており、プリズム５０４および５０５の斜面５０７には反射ミラーが形成されている。さらに５つのプリズム５０１〜５０５の斜面同士は光学接着剤で接合されている。ハーフミラーとしては例えば誘電体多層膜が用いられ、設計によりその透過および反射割合を任意に設定することができる。このような誘電体多層膜は周知の技術で得られる。

なお、この構成例は合計５個のプリズムで構成されているが、図４に示す平面図のごとく、プリズム５０４および５０５を削減することも可能である。図４は第１の実施の形態の光束分割素子の応用例を示す模式的平面図である。光束分割素子５２では、プリズム５０２、５０３のプリズム斜面５０７は入射光に対して４５度となっており、ここに反射ミラーを形成することによりプリズム５０１のプリズム斜面５０６のハーフミラーから反射された光を全反射させることが可能であるからである。このようにすれば部品点数の削減ができる。また、図示されていないが、光束分割素子５０をプリズムで構成するのでなく、板状のハーフミラーや反射ミラーで構成することも可能である。

光束分割素子５０の後にはロッドインテグレータ２９が設けられている。ロッドインテグレータ２９は中実の光学ガラスより構成され、６面が光学研磨されものが使用される。材質としてはＢＫ７が安価な材料として利用できる。大きさとしては例えば０．７型の液晶パネルに対し１２ｍｍ×１６ｍｍ×３０ｍｍ（縦×横×長さ）のものが用いられる。なお、ロッドインテグレータの代わりに、板状の反射ミラーで構成されるライトトンネルを使用しても構わない。光束分割素子５０とロッドインテグレータ２９とは微小空気間隔を空けて配置するか、ロッドインテグレータ２９と光束分割素子５０とを接着により一体化しても構わない。

画像表示器３１としては通常液晶パネルが使用される。液晶パネルとしては単板駆動が可能となるように、液晶の応答速度が速いものが好ましい。投写光学系４０の投射レンズとしては０．７型の液晶パネルに対し例えば焦点距離が２５ｍｍでＦナンバが１．４のものが使用される。

次に本発明の実施の形態のプロジェクタの光学系における照明装置の動作について説明する。図５は本発明の実施の形態の照明装置を有する光学系の光源から投射された光束の流れを示す模式図である。図５において、光源２１である発光ダイオードからの光束は集光レンズ２２、２３、２４そしてレンズ２７のレンズ作用により光束分割素子５０に入射する。そして光束分割素子５０により均一化された３つの光束に分割される。光束分割素子５０で分離された３つの光束は、その後ロッドインテグレータ２９に入射することになる。ロッドインテグレータ２９から射出した光束は画像表示器３１である液晶パネルを照明し、画像表示器３１上の画像は投射光学系４０により不図示のスクリーン上に拡大投射される。光源２１である発光ダイオードからの光線の通過経路は図中の光束６１で示すことができる。

光束分割素子５０での作用を図６を用いて説明する。図６は、図５の光束分割素子に入射する光束の流れの詳細を示す模式図である。光束分割素子５０に入射する光束６１は光束分割素子５０を構成するハーフミラー５１１および５１２に達するが、ハーフミラー５１１、５１２は例えば、入射光に対して約４０％の光を透過させて、約６０％の光を反射させる特性になっている。ハーフミラー５１１、５１２を透過した光は、直進してロッドインテグレータ２９に入射する（光束６２）。ハーフミラー５１１、５１２から反射した光は、進路を直角に曲げられるが、平行四辺形状のプリズム面５０８および５０９で全反射し、その進路をロッドインテグレータ２９側に変えてロッドインテグレータ２９に入射する（光束６３、光束６４）。ロッドインテグレータ２９に入射する光束を見ると、あたかも、３つの光源が存在し、それらからの光線がロッドインテグレータ２９に入射すると考えることができる。

ところで、ロッドインテグレータ２９の光学作用は、そもそも、内面反射により多数の２次的光源を作り出し、それらがロッドインテグレータ２９の射出面に重畳することで、その重畳された均一な照明情報を画像表示器３１の照明に利用しているわけである。その結果、投写画面上の輝度または照度分布の均一化が達成されている。このことと、本実施の形態を対比させると、本実施の形態では２次的光源が３つであるという相違はあるものの、ロッドインテグレータ２９の射出面に輝度が均一な照明光を形成するという意味で共通するところがある。違いは、内面反射に頼らずにロッドインテグレータ入射時に積極的に２次的光源を準備するというとこにある。従って本願によるロッドインテグレータ２９は従来技術のロッドインテグレータに比して非常に短い長さの角柱導光部材でよいということになる。

次に本実施の形態の変形例について説明する。上述の第１の実施の形態には種々の変形が可能である。すなわち、第１の実施の形態では２次的光源を３つ作り出したが、もっと多くの２次的光源を作ることは容易である。

図７は本発明の第２の実施の形態の光束分割素子の構成例を示す模式的透視斜視図である。例えば、図７に示すような光束分割素子５３を用意すれば７つの２次的光源を得られる。すなわち、光束分割素子５３は６個の平行四辺形状のプリズム６０２〜６０７と３角プリズム６０１とで構成され、それぞれの接合面にハーフミラーが構成されている。そしてこのハーフミラーの透過・反射特性を光束分割素子５３からの出射光が均一になるように任意に設定する。さらに両端の２つのプリズム６０６、６０７には全反射面６０８を備える。このような構成とすれば第１の実施の形態に比べて２倍以上の７個の２次的光源を用意したのと同じになり、一層の均一化が可能になる。

図８は本発明の第３の実施の形態の照明装置の光束分割素子の構成と光路を示す模式的上面図である。第１、第２の実施の形態のように１次元的に２次的光源を作るのではなく第３の実施の形態のように２次元的に光束を分割することも可能である。第３の実施の形態では、紙面に垂直の方向にプリズムが並んだ第１の光束分割素子５４と紙面に水平の方向にプリズムが並んだ第２の光束分割素子５５とを備えている。いずれの光束分割素子も光束を３つに分割するので全部で９分割を可能にしており、このような構成とすることで、ロッドインテグレータ２９の長さが短くとも、なお一層の投写画面輝度分布の均一化が可能である。図９は本発明の第３の実施の形態の照明装置の光束分割素子の構成と光路を示す模式的側面図であり、図８に示す光路図が９０°向きを変えて示されている。

本発明の第１の実施の形態の照明装置を備えたプロジェクタの光学系の模式的構成図である。 図１の照明装置を備えたプロジェクタの光学系の応用例の模式的構成図である。 第１の実施の形態の光束分割素子の構成例を示す模式的透視斜視図である。 第１の実施の形態の光束分割素子の応用例を示す模式的平面図である。 本発明の実施の形態の照明装置を有する光学系の光源から投射された光束の流れを示す模式図である。 図５の光束分割素子に入射する光束の流れの詳細を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態の光束分割素子の構成例を示す模式的透視斜視図である。 本発明の第３の実施の形態の照明装置の光束分割素子の構成と光路を示す模式的上面図である。 本発明の第３の実施の形態の照明装置の光束分割素子の構成と光路を示す模式的側面図である。

符号の説明

１ プロジェクタ
１０ 光学系
２０ 照明装置
２１ 光源
２２、２３、２４、２７ 集光レンズ
２５ クロスダイクロイックミラー
２６ ロッドインテグレータ
３０ 画像表示部
３１ 画像表示器
４０ 投射光学系
５０、５１、５２、５３ 光束分割素子
５４ 第１の光束分割素子
５５ 第２の光束分割素子
６１、６２、６３、６４ 光束
１２１ ＲＧＢ光源ユニット
１２２Ｒ 赤色光源ユニット
１２２Ｇ 緑色光源ユニット
１２２Ｂ 青色光源ユニット
５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、６０２、６０３、６０４、６０５、６０６、６０７ プリズム
５０６、５０７ プリズムの斜面
５０８、５０９ プリズム面
５１１、５１２ ハーフミラー
６０１ 三角プリズム
６０８ 全反射面

Claims (9)

1. 光源からの光を画像表示器に照射するロッドインテグレータを有する照明装置において、
   前記ロッドインテグレータの入射側に配置されて、前記光源からの光を複数の光束に分割する光束分割手段を有し、前記光束分割手段は構成要素としてハーフミラーを有することを特徴とする照明装置。
2. 前記光束分割手段は構成要素としてさらに他のハーフミラーおよび全反射ミラーを有する、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記ハーフミラーの透過および反射割合は、前記ロッドインテグレータへの入射光が均一となるように設定されている、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記ハーフミラーは誘電体多層膜からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光束分割手段では、入力する光束の光軸に垂直な方向に前記構成要素が整列状態に配置されており、前記ハーフミラーは入力する光束の光軸に対してその軸線が略４５度の角度となり、かつ該光束分割手段の中心線に対して対称に配置される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記ハーフミラーは、光源からの光束を前記画像表示器の表示面の水平方向または垂直方向に分割する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記光源がＬＥＤまたは半導体レーザである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の照明装置と、画像表示器と、投写光学系とを備えたことを特徴とするプロジェクタ。
9. 前記画像表示器が液晶パネルである、請求項８に記載のプロジェクタ。

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