JP6082560B2 - 光源装置およびそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、LED光源やレーザー光源の特定波長の光源光を合成した光源光を、映像表示素子を使用してスクリーン上に映像を投影する光源装置およびそれを備えた投射型表示装置に関する。

近年、Ｒｅｄ／Ｇｒｅｅｎ／Ｂｌｕｅ３色の単色ＬＥＤ光源や、Ｒｅｄ／Ｇｒｅｅｎ／Ｂｌｕｅの半導体レーザの高出力化により、これらを光源とする小型プロジェクタ市場が拡大している。
小型プロジェクタで使用される映像表示素子は、例えば反射型液晶表示素子であるＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、マイクロミラー型映像表示素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを２次元走査するものなどが知られている。

これらの小型プロジェクタでは、３色の単色LEDや半導体レーザの出力光を合成し、この合成光をLCOSやDMDの映像表示素子により映像化している。また、MEMSミラーは、ひとつの光路に合成された３色の単色LEDや半導体レーザの出力光を、色ごとに順次走査して映像を表示している。

特許文献１には、３色の単色LEDや半導体レーザのビーム光を、波長選択性の異なる面から成るダイクロイックミラーにより合成する技術が開示されている。

米国特許第８２３８０２９号明細書

３色の単色光源を用いて１個の映像表示素子に照射させる場合、Ｒｅｄ／Ｇｒｅｅｎ／Ｂｌｕｅ光源を１つの共通の光学系に合成する手段を設ける必要がある。３色を合成するためにそれぞれ個別の光学素子を用いると、部品数が増えて光源装置全体が大きくなり、小型化や低コスト化に不利となる。

特許文献１に開示されている技術によれば、１つのダイクロイックミラーを用いて３色を合成することが可能であるが、MEMSミラーに投射するビーム光の合成について記載されており、LCOSやDMD等の面光源を使用する映像表示素子については考慮されていない。

本発明の目的は、LEDや半導体レーザ等の固体発光源を使用した面光源を、照度分布が均一で小型化が可能な光源とした照明装置およびそれを備えた投射型表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の投射映像を面投射する投射型表示装置の光源装置は、第１の色光の面照射光を出力する第１の固体光源と、第２の色光の面照射光を出力する第２の固体光源と、第３の色光の面照射光を出力する第３の固体光源と、前記第１の固体光源の光束を反射する第１のダイクロイック面と前記第２の固体光源の光束を反射する第２のダイクロイック面とが互いに非平行で対面して設けられ、前記第３の固体光源の光束が前記第１のダイクロイック面と前記第２のダイクロイック面を屈折透過するくさび型ダイクロイックミラーと、前記くさび型ダイクロイックミラーから入射する光束の照度分布を平滑化するレンズアレイと、を備え、前記第３の固体光源の光束の光軸は、前記くさび型ダイクロイックミラーによって前記レンズアレイの光軸に一致するよう屈折して、前記レンズアレイに入射し、前記第１の固体光源の光束と前記第２の固体光源の光束は、前記くさび型ダイクロイックミラーによって前記レンズアレイの光軸が対称の中心となるように反射して、前記レンズアレイに入射するようにした。

さらに、前記第１の固体光源と前記第２の固体光源は近接して配置され、前記第１の固体光源と前記第２の固体光源の出射光を略平行光に変換して前記くさび型ダイクロイックミラーに出射する球面あるいは非球面の第1の平行化レンズと、前記第３の固体光源の出射光を略平行光に変換して前記くさび型ダイクロイックミラーに出射する球面あるいは非球面の第２の平行化レンズと、を備えるようにし、前記第1の固体光源と前記第２の固体光源は、前記第1の平行化レンズの光軸上と異なる位置に所定量オフセットして配置され、前記第1の固体光源の略平行化された光束の光軸と前記第２の固体光源の略平行化された光束の光軸の方向は、前記第1の平行化レンズの光軸の方向と異なり、前記第３の固体光源は、前記第２の平行化レンズの光軸上の位置に配置され、前記第３の固体光源の略平行化された光束の光軸の方向は、前記第２の平行化レンズの光軸の方向と等しくした。

本発明によれば、光源装置の小型化とスクリーン上の照度均一化の両立を、簡素な構成で実現する光源装置およびそれを備えた投射型表示装置を提供することができる。

本発明の実施例１における光源装置の概略構成を示す図である。 本発明における光源光軸の関係を示す図である。 本発明におけるレンズアレイ上の光束の光量分布を示す図である。 本発明における映像表示素子上の照度分布を示す図である。 本発明における別の光源光軸の関係を示す図である。 本発明における光源光軸とレンズアレイの光軸の関係を示す図である。 本発明における光源光軸とレンズアレイの光軸の別の関係を示す図である。 本発明の実施例２における光源装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２における光源装置の別の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２における光源装置の別の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２における光源装置の別の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２における光源装置の別の概略構成を示す図である。 本発明の実施例３における光源装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例３における光源装置の別の概略構成を示す図である。

本発明を適用した光源装置およびそれを備えた投射型表示装置の実施形態の一例について、以下図面を用いて説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、各図において、同じ作用を示す構成要素の場合は一部同じ符号を用いている。

図１は、本発明における実施例の投射型表示装置の光学エンジン１００の一例を示している。光学エンジン１００は、所定の波長もしくは波長帯の光束を出射するＬＥＤ光源１、ＬＥＤ光源２、ＬＥＤ光源３を有する。

本実施例では、例えば、ＬＥＤ光源１は中心波長が約６１５ｎｍの赤色光束、ＬＥＤ光源２は中心波長が約４６０ｎｍの青色光束、ＬＥＤ光源３は中心波長が約５２５ｎｍの緑色光束であるとする。各波長は上記の値でなくても構わない。また所定の波長帯を有していても何ら構わない。また、光源は、LED以外の可視光を発光するレーザーダイオード等の固体発光素子であればいずれでもよい。

本実施例のＬＥＤ光源は、光源から出射する光束が光源の中心の強度がもっとも大きく対称な光量分布となっている。本実施例では、このもっとも強度の大きい中心を光源の光軸とする。

また、実施例のＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２は、光源ユニット４の中に並べて搭載されたマルチチップモジュールの構成となっている。ＬＥＤ素子が互いの光源が近接して並ぶため、光源素子の小型化を実現することができる。

本実施例では、赤色のＬＥＤ光源１と青色のＬＥＤ光源２をマルチチップ構成のモジュールとし、緑色のＬＥＤ光源３を単色のモジュールとしている。実施例では、緑色の発光効率の点からＬＥＤ光源３を単色構成としているが、この構成に限定されるものではない。

ＬＥＤ光源１を出射した赤色光束とＬＥＤ光源２を出射した青色光束は、取り込みレンズ５にて略平行光に変換される。ＬＥＤ光源３を出射した緑色光束は、取り込みレンズ６にて略平行光に変換される。なお、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６は、ガラスまたはプラスチックの等方的な球面レンズまたは非球面レンズを想定している。

本実施例では、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２の２個の光源を１個の共通取り込みレンズで略平行光に変換することを特徴とする。取り込みレンズを共通化することで、部品数を削減することが可能である。また、光学エンジン１００の小型化を行うことが可能である。

上記のとおり、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２の２つの光源光を１個の取り込みレンズ５で略平行化しているが、光源光束の光軸と、取り込みレンズ５のレンズ光軸はずれた構成となっている。より詳しくは、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２の光源光束の光軸が、レンズ光軸を中心に平行にシフトした構成となっている。

なお、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６は、１個で光束を略平行光に変換しているが、所望の略平行光束を得るために例えば光束の進行方向に２個以上配置して何ら構わない。２個以上配置することで、１個のときよりも小型で屈折率の小さい簡素なレンズを用いることが可能である。

くさび型ダイクロイックミラー７は、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６を通過した赤色光束、青色光束、緑色光束を合成する光合成素子である。くさび型ダイクロイックミラー７の取り込みレンズ５側のミラー面７ａは、赤色光束を反射、青色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面となっている。また、取り込みレンズ６側のミラー面７ｂは、青色光束を反射、赤色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面となっている。このダイクロイック機能によって、くさび型ダイクロイックミラー７は、３色のＬＥＤ光源の光束を合成する。くさび型ダイクロイックミラー７とＬＥＤ光源の光軸の関係は詳細を後述する。

合成された光束は、レンズアレイ８とレンズアレイ９の２枚のレンズアレイに入射する。レンズアレイ８とレンズアレイ９は、インテグレータ光学系を構成し、同数のレンズセルで構成されている。レンズアレイ８は、入射前は光量分布をもっている光束を、レンズセル数分割してレンズアレイ９上に集光させる。各ＬＥＤ光源とレンズアレイ９は共役の関係となるように設計するため、レンズアレイ９上ではレンズセル数分の仮想光源像となる。なお、図１では一辺のレンズ数を５個で記載しているが、５個に限定されないことは言うまでもない。

レンズアレイ９を通過した光束は、リレーレンズ１０とリレーレンズ１１を伝搬して映像表示素子１２に照射される。リレーレンズ１０はレンズアレイ９のレンズセルの光源像を重畳させる機能をもち、リレーレンズ１１は重畳された光束を映像表示素子１２に対して略平行光に変換して照射させる機能をもつ。

このように、レンズアレイ８からリレーレンズ１１までの照明光学系によって、映像表示素子１２では照度が均一の像を形成することができる。なお、図１においてリレーレンズは２枚で構成しているが、所望の像を映像表示素子１２で得られれば何枚使用しても構わない。

映像表示素子１２で形成された像は、投射レンズ１３を通してスクリーン（図示せず）に拡大投影された映像を表示する。以上のように、映像情報装置の光源装置は、３個の単色光源と１個の映像表示素子と光を伝搬させる光学部品を用いて、スクリーンに所望の映像を表示する。

つぎに、図２により、くさび型ダイクロイックミラー７とＬＥＤ光源の光軸の関係を詳細に説明する。図２では、図１で示したＬＥＤ光源１からレンズアレイ８までの光学部品において、ＬＥＤ光源１を出射した赤色光束の光源光軸２１と、ＬＥＤ光源２を出射した青色光束の光源光軸２２と、ＬＥＤ光源３を出射した緑色光束の光源光軸２３の関係を追記した図である。赤色光束の光源光軸２１は実線で、青色光束の光源光軸２２は点線で、緑色光束の光源光軸２３は一点鎖線で、それぞれ示されている。

前記したように本実施例では、投射型表示装置の光源装置を小型化するために、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２の２つを光源ユニット４で一体にしている。そして、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２の光源光を、１つの取り込みレンズ５によって両方の光束を略平行光に変換している。この構成のため、赤色光束と青色光束の光源光軸は互いに非平行で光合成素子（ダイクロイックミラー）に入射する。

ここで、光合成素子に平行平板のダイクロイックミラーを用いた場合、赤色光束がレンズアレイ８の光軸に対して略平行に入射するような角度に設定すると、青色光束はレンズアレイ８の光軸に対して大きく傾いて入射する。その結果、レンズアレイ８からレンズアレイ９への光の伝搬で効率のロスが大きくなり、スクリーン上で照度分布の劣化した映像となる。

また、光合成素子に赤色用の平行平板ダイクロイックミラーと青色用の平行平板ダイクロイックミラーの２枚を配置した場合、赤色光束と青色光束でそれぞれ独立にミラー面の角度を設定できるため、全ての光束の光軸がレンズアレイ８の光軸に対して略平行で入射することが可能となる。しかし、２枚用いるために部品を配置するスペースが大きくなって小型化に不利となる、２枚に増えたために取り付け誤差の影響が大きくなる、２枚の平行平板ダイクロイックミラーを透過する緑色光束の効率の劣化が大きくなる、などの新たな問題が発生する。

そこで、本実施例では、互いに非平行な対面するミラー面を有したくさび型ダイクロイックミラー７を配置するようにした。この場合、例えばミラー面７ａで赤色光束のみを反射させ、ミラー面７ｂで青色光束のみが反射するようなくさび形状とすれば、図２に示すように合成後のすべての光源光軸はレンズアレイ８の光軸に対して略平行に変換することが可能である。また、素子が１つなので取り付け誤差や透過効率が劣化する課題は改善することができ、配置スペースも小さくすることが可能である。

また、図２に示されるように、ＬＥＤ光源３の緑色光束の光源光軸２３と取り込みレンズ６の光軸を一致するように配置されている。そして、くさび型ダイクロイックミラー７に入射して、ミラー面７ａとミラー面７ｂで屈折して、レンズアレイ８に向けて出射される。

このとき、緑色光束の光源光軸２３は、レンズアレイ８の光軸に一致するようにする。そして、赤色光束の光源光軸２１と青色光束の光源光軸２２は、緑色光束の光源光軸２３を中心として略平行にレンズアレイ８に入射される。

上記のとおり実施例の構成は、赤色光束の光源光軸２１と青色光束の光源光軸２２のどちらも取り込みレンズの光軸に対して所定量オフセットしている。そのため、取り込みレンズ５を通過した光束の光量分布は非対称となる。従って、くさび型ダイクロイックミラー７のミラー面７ａを反射してレンズアレイ８に入射する赤色光束の光量分布は非対称である。同様に、くさび型ダイクロイックミラー７のミラー面７ｂを反射してレンズアレイ８に入射する青色光束の光量分布も非対称である。緑色光束は光源光軸が取り込みレンズ６の光軸と一致しているため、くさび型ダイクロイックミラー７のミラー面７ａおよびミラー面７ｂを透過してレンズアレイ８に入射する光量分布は対称である。

光量分布が非対称な赤色光束と青色光束については、レンズアレイ８の光軸に対して所定量オフセットさせて入射させる。オフセットさせることで、レンズアレイの各レンズセルで分割された光量分布はそれぞれ非対称になるが、それらを重畳した映像表示素子１２上の照度では、対称性が改善される。

図３は、一例として赤色光束がレンズアレイ８に入射したしたときの、光束の光量分布を示す。横軸はレンズアレイの位置、縦軸は光束の光量分布をそれぞれ示す。横軸の中心にある実線は、レンズアレイの光軸を示す。波形３１は、光源光軸をレンズアレイ光軸に一致させたときの光量分布を示す。波形３２は図２の光源光軸２１のように、レンズアレイの光軸に対して所定量オフセットさせたときの光量分布を示す。

また図４は、図３の光量分布から計算した映像表示素子１２上の照度分布を示す。横軸は映像表示素子１２の位置、縦軸は映像表示素子上の照度分布をそれぞれ示す。横軸の中心にある実線は、映像表示素子の光軸を示す。波形４１は、図３の波形３１の光量分布から得られた照度分布を示す。波形４２は、図３の波形３２の光量分布から得られた照度分布を示す。

図３および図４より、波形３１のように光源光軸をレンズアレイの光軸に一致させると波形４１のように非対称の照度分布になる。しかし、波形３２のように光源光軸をレンズアレイの光軸に対して所定量オフセットさせることで、波形４２のように対称の照度分布にすることが可能である。なお青色光束については、赤色光束と非対称の方向が反転するので、図２の光源光軸２２のように赤色光束とは反対方向に所定量オフセットさせると照度分布を改善することができる。

図５は、光源光軸２１と光源光軸２２と光源光軸２３の図２とは別の関係を示した図である。緑色光束の光源光軸２３は、図２同様レンズアレイ８の光軸と略一致するように変換される。しかし、赤色光束の光源光軸２１は、レンズアレイ８の光軸に対して所定の角度傾いて変換される。青色光束の光源光軸２２も、レンズアレイ８の光軸に対して所定の角度傾いて変換される。このように、すべての光源光軸をレンズアレイ８の光軸に対して略平行に変換する必要はなく、所定の角度傾けるようにしてもよい。これによりくさび型ダイクロイックミラー７のミラー面７ａとミラー面７ｂの角度の制約が緩和され、くさび型ダイクロイックミラー７の製造が容易となり、部品の低コストが可能となる。

図６は、図５の光源光軸とレンズアレイの光軸の関係の詳細を示した図である。代表として実線で記した赤色光束の光源光軸２１と、一点鎖線で記したレンズアレイ８の光軸６１の関係について説明する。図６において、赤色光束の光源光軸２１のミラー面７ａでの反射点６２と、レンズアレイ８の光軸６１とミラー面７ａの交点６３は、一致すると仮定する。

図６のように、ミラー面７ａ反射後の赤色光束の光源光軸２１と、レンズアレイ８の光軸６１のなす角をθとする。また、レンズアレイ８の光軸６１とミラー面７ａの交点６３からレンズアレイ８に下ろした垂線の距離をＬとする。また、レンズアレイのレンズセルの一辺の長さをＷとする。

このとき、
ｔａｎθ＜（Ｗ／２）／Ｌ ……（数１）
の関係を満たすことを特徴とする。数１により、光源光軸はレンズアレイの中心のレンズセルに所定の角度で入射する。

数１を満足した角度θの中で、所定の位置に入射するように変換することで、光量分布が非対称な光束の場合も、映像表示素子の照度分布を対称に改善することができる。なお、青色光束の光源光軸２２と、レンズアレイ８の光軸６１のなす角についても同様の関係を満たすことは言うまでもない。

図７は、図６のように赤色光束の光源光軸２１のミラー面７ａでの反射点６２と、レンズアレイ８の光軸６１とミラー面７ａの交点６３が一致しない場合の、光源光軸２１とレンズアレイ８の光軸６１の関係を示した図である。

図７のように、赤色光束の光源光軸２１と、レンズアレイ８の光軸６１のなす角をθとする。また、赤色光束の光源光軸２１のミラー面７ａでの反射点６２からレンズアレイ８に下ろした垂線の距離をＬとする。また、レンズアレイのレンズセルの一辺の長さをＷとする。また、赤色光束の光源光軸２１のミラー面７ａでの反射点６２からレンズアレイ８の光軸６１に下ろした垂線の距離をＤとする。

このとき、
ｔａｎθ＜（Ｗ／２−Ｄ）／Ｌ ……（数２）
の関係を満たすことを特徴とする。また、このときＤの絶対値はＷ／２よりも小さいことを特徴とする。数２により、光源光軸はレンズアレイの中心のレンズセルに所定の角度で入射する。

数２を満足した角度θの中で、所定の位置に入射するように変換することで、光量分布が非対称な光束の場合も、映像表示素子の照度分布を対称に改善することができる。なお、青色光束の光源光軸２２と、レンズアレイ８の光軸６１のなす角についても同様の関係を満たすことは言うまでもない。

なお、プロジェクタの光源装置サイズを小型化すると入射光束径は小さくなるので、レンズアレイのレンズセル数は相対的に大きくなる。そのため、レンズセル数は少なり、インテグレートされる数が少なくなるために、光量分布が非対称だと映像表示素子の照度分布の非対称性が顕著になる。入射光束に対して有効となる所定の方向のレンズアレイの数が例えば５個以下と少ない場合、本発明のように非対称な分布をもつ光束をレンズアレイに対して所定量オフセットさせて入射する構成は、照度分布を均一にする手段としてより効果的である。

また、光路長を短くするためにレンズアレイ８と映像表示素子１２の倍率を小さく設計する場合、レンズアレイ８のレンズセルのサイズが大きくなるので、本構成のような非対称な光束をレンズアレイに対して所定量オフセットさせて入射する構成は、照度分布を均一にする手段としてより効果的である。

また、レンズセルの曲率半径が例えば１ｍｍ以下と小さく設計するとき、レンズセルの境界の通過率が劣化するなどのレンズアレイ性能の劣化が生じやすい。そのため曲率半径１ｍｍ以上で小型化するためには、倍率を小さくすることが必要となり、レンズセルのサイズが大きくなる。このような場合において、本構成のような非対称な光束をレンズアレイに対して所定量オフセットさせて入射する構成は、照度分布を均一にする手段としてより効果的である。

また、小型プロジェクタに使用する、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２を搭載した光源ユニット４は、例えば光源における光軸間距離が例えば１．５ｍｍ以下であることが望ましい。その場合、くさび型ダイクロイックミラー７のミラー面７ａとミラー面７ｂ間隔を広くすることなく、小型のくさび型ダイクロイックミラー７を作成することが可能である。

また、レンズアレイ８における所定のオフセット量を小さくする、もしくは赤色光束と青色光束で対称にするために、ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２光軸の中点は、取り込みレンズ５の光軸と一致することが望ましい。

また、くさび型ダイクロイックミラー７の製造上の制約より、ミラー面７ａとミラー面８ｂの間の辺のうち、短い方の辺が０．３ｍｍ以上となるようにミラー面７ａとミラー面７ｂの角度を決定することが望ましい。

また、緑色光束の光源光軸については、取り込みレンズ６を通過した光束の光量分布が対称のため、緑色光源と取り込みレンズ６を所定の角度だけ回転させて、くさび型ダイクロイックミラー７を通過したときの光源光軸がレンズアレイ８の光軸と一致するように調整することが望ましい。

互いの光源光軸を一致させる構成は、非対称な分布をもった光束がある場合、レンズアレイで光束を重ね合わせたときに映像情報素子の照度分布が非対称になることが問題である。しかし、レンズアレイのレンズセルがレンズアレイに入射する光束に対して十分に小さいときは、映像情報素子の照度分布の非対称が顕著ではなくなる。そのため、レンズセルが十分小さい場合においては互いの光源光軸を一致する構成としてもよい。

本発明において、光源ユニット４に搭載しているＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２は、それぞれ１個のチップを用いている。しかし、各色の光源のチップ数は１個に限定されるものではなく、２個以上用いても構わない。例えば、２個と２個で合計４個のチップを光源ユニットとするとき、田の字配置で交互に異なるＬＥＤ光源を配置する場合は、各色の光源の光軸が取り込みレンズの光軸と略一致する。一般的に、２色の異なるＬＥＤ光源チップを複数並べたとき、その配置が点対称の関係になるときは互いの光源光軸を一致する構成とし、線対称や対称になってない関係のときは互いの光源光軸を一致させない構成とすることが望ましい。

しかし、各色の光源の輝度分布はＬＥＤ光源ごとにピークをもつため、本実施例のように、各ＬＥＤ光源の光軸を取り込みレンズの光軸に対称になるように各ＬＥＤ光源を設置するとともに、各ＬＥＤ光源の光軸が、レンズアレイの光軸に対称になるように、ＬＥＤ光源の設置間隔とくさび型ダイクロイックミラー７の形状を選択することが望ましい。

また、本実施例に記載の光学エンジン１００に、電源部と、回路部と、信号処理手段を組み合わせた映像表示装置は、小型化とスクリーン上の照度均一の両立を簡素な構成で実現することが可能である。

上述の実施例をより概念的にいえば、本発明の光源装置は、第１波長もしくは波長帯の光を出射する第１の光源および第２波長もしくは波長帯の光を出射する第２の光源を互いに並べて配置した光源ユニットと、第３波長もしくは波長帯の光を出射する第３の光源と、該光源からの３つの波長もしくは波長帯の光を合成する光合成素子と、前記光の分布を平均化する光学素子を少なくとも備え、前記第１波長もしくは波長帯の光と、前記第２波長もしくは波長帯の光と、前記第３波長もしくは波長帯の光の、前記光学素子に入射する光軸が、少なくとも２つ以上互いに一致しないように構成したものである。

つぎに、本発明を映像表示素子にマイクロミラー型映像表示素子であるＤＭＤを用いた投射型表示装置に適用したときの構成例について、図８を用いて説明する。

光学エンジン１００は、所定の波長もしくは波長帯の光束を出射するＬＥＤ光源１、ＬＥＤ光源２、ＬＥＤ光源３を有する。本実施例では、例えばＬＥＤ光源１は中心波長が約６１５ｎｍの赤色光束、ＬＥＤ光源２は中心波長が約４６０ｎｍの青色光束、ＬＥＤ光源３は中心波長が約５２５ｎｍの緑色光束であるとする。各波長は上記の値でなくても構わない。また所定の波長帯を有していても何ら構わない。また、ＬＥＤ光源から出射する光束は、光源の中心の強度がもっとも大きく対称な光量分布となっており、もっとも強度の大きい中心を光の光軸であるとする。

ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２は、光源ユニット４の中に並べて搭載されている。互いの光源が近接して並ぶため、光源素子の小型化を実現することができる。

ＬＥＤ光源１を出射した赤色光束とＬＥＤ光源２を出射した青色光束は、取り込みレンズ５にて略平行光に変換される。ＬＥＤ光源３を出射した緑色光束は、取り込みレンズ６にて略平行光に変換される。なお、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６は、ガラスまたはプラスチックの等方的な球面レンズまたは非球面レンズを想定している。また、図８において取り込みレンズ４、５は、１枚のレンズで示しているが、所望の略平行光束を得るために例えば２枚以上設けても何ら構わない。

くさび型ダイクロイックミラー７は、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６を通過した赤色光束、青色光束、緑色光束を合成する光合成素子である。くさび型ダイクロイックミラー７のうち、取り込みレンズ５側のミラー面７ａは、赤色光束を反射、青色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面である。また、取り込みレンズ６側のミラー面７ｂは、青色光束を反射、赤色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面である。この機能によって、３色の光束を合成する。

ここで、赤色光束の光源光軸は、レンズアレイ８の光軸に対して略平行もしくは所定の角度でレンズアレイの光軸から所定量オフセットして入射するように、ミラー面７ａの角度を設定する。また、青色光束の光源光軸も同様に、レンズアレイ８の光軸に対して略平行もしくは所定の角度でレンズアレイの光軸から所定量オフセットして入射するように、ミラー面７ｂの角度を設定する。また、緑色光束の光源光軸は、レンズアレイ８の光軸に対して略一致して入射するように、ＬＥＤ光源３および取り込みレンズ６の角度を設定する。

このように、くさび型ダイクロイックミラー７を用いてレンズアレイに入射する３個の光束の光源光軸を互いに一致しないで入射させることで、光束の光量分布が非対称な場合においてスクリーン上で照度分布を均一にすることが可能である。

レンズアレイ８に入射した光束はレンズアレイ９に入射し、レンズアレイに設けられたレンズセル数分の仮想光源像となる。なお、図８では一辺のレンズ数を５個で記載しているが、５個に限定されないことは言うまでもない。

レンズアレイ９を通過した光束は、リレーレンズ１０通過後にミラー８１によって所定の角度に反射される。その後リレーレンズ１１、三角プリズム８２、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）プリズム８３の全反射面８３ａとプリズム面８３ｂを通過して、マイクロミラー型映像表示素子であるＤＭＤ８４に所定の角度で入射する。リレーレンズ１０は、レンズアレイ９のレンズセルの光源像を重畳させる機能をもつ。ミラー８１は、光路を折り曲げることができるため、光路長を長く保ったまま光学エンジン１００を小型化することが可能である。リレーレンズ１１は、重畳された光束を映像表示素子１２に対して略平行光に変換して照射させる機能をもつ。三角プリズム８２は、直後に配置するＴＩＲプリズム８３によって生じる光路差を補正する機能をもつ。ＴＩＲプリズム８３は、三角プリズム８２から入射した光束をＤＭＤ８４に伝搬させ、ＤＭＤ８４を反射した光束を全反射面８３ａで全反射させて投射レンズ１３に伝搬させる機能をもつ。なお、三角プリズム８２とＴＩＲプリズム８３間は、所定の間隔のエアギャップが設けられている。

このように、レンズアレイ８からＴＩＲプリズム８３までの照明光学系によって、ＤＭＤ８４では照度が均一の像を形成することができる。なお、図８においてリレーレンズは２枚で構成しているが、所望の像をＤＭＤ８４で得られれば何枚使用しても構わない。

ＤＭＤ８４を反射した反射光束の主軸は、プリズム面８３ｂに対して略垂直に入射する。プリズム面８３ｂを通過後、全反射面８３ａで全反射し、プリズム面８３ｃを通過する。前述したように、ＴＩＲプリズム８３の全反射面８３ａと三角プリズム８２間はエアギャップを設けているため、これを利用して反射光束の入射角が全反射の臨界角よりも大きくなるように、ＴＩＲプリズム８３の屈折率を設定する。

プリズム面８３ｃを通過した反射光束は、投射レンズ１３を通してスクリーン（図示せず）に拡大投影された映像を表示する。以上のように、照明光学系にミラー８１と三角プリズム８２、ＴＩＲプリズム８３を用いることで、所定の角度で光束を入射する必要な映像表示素子であるＤＭＤ８４を用いた構成において、小型で照度分布が均一な光源装置を実現することができる。

図９は、ＤＭＤ８４を用いた投射型表示装置の光学エンジン１００の別の例を示した図である。図８と異なり、２枚のレンズアレイの代わりに両側レンズアレイ９１をレンズアレイの位置に設けている。それ以外は図８と同じ構成のため、説明を省略する。

両側レンズアレイ９１は、図の通り光束の入射面と出射面の両方にレンズアレイを設けた素子である。両側レンズアレイ９１は、１枚でレンズアレイ２枚分の機能を有するため、部品数を低減することができ、取り付け工程時間の短縮が可能である。また、２枚のレンズアレイは取り付け時の相対位置ずれが通過率や照度分布の劣化に影響するが、１枚なのでその影響を低減することが可能である。

図１０は、ＤＭＤ８４を用いた投射型表示装置の光学エンジン１００の別の例を示した図である。図８と異なり、レンズアレイ９とリレーレンズ１０を１つにした複合レンズ１０１を設けている。それ以外は図８と同じ構成のため、説明を省略する。

複合レンズ１０１は、図の通り光束の入射面にレンズアレイ、出射面にレンズ面を設けた素子である。レンズアレイ直後のリレーレンズは曲率半径が大きいため、レンズ面１面でも十分光源像を重畳させる機能を持たせることが可能である。また、１枚でレンズアレイとリレーレンズ２枚分の機能を有するため、部品数を低減することができ、取り付け工程時間の短縮が可能である。また、レンズアレイからリレーレンズまでの距離を短くすることができるので、光源装置の小型化が可能である。

図１１は、ＤＭＤ８４を用いた投射型表示装置の光学エンジン１００の別の例を示した図である。図８と異なり、リレーレンズ１０と三角プリズム８２を１つにした複合プリズム１１１を設けている。それ以外は図８と同じ構成のため、説明を省略する。

複合プリズム１１１は、図の通り三角プリズム８２の入射面にリレーレンズの機能を有したレンズ面を設けた素子である。１枚でレンズアレイ２枚分の機能を有するため、部品数を低減することができ、取り付け工程時間の短縮が可能である。また、リレーレンズから三角プリズムまでの距離を短くすることができるので、光源装置の小型化が可能である。

図１２は、ＤＭＤ８４を用いた投射型表示装置の光学エンジン１００の別の例を示した図である。図８から図１１までとは異なり、三角プリズム８２とＴＩＲプリズム８３を用いない構成としている。ミラー８１は、ＤＭＤ８４を反射した光束が入射しない位置に配置する。ミラー８１は図では平板ミラーとなっているが、光路差による収差を補正するために、球面ミラー、非球面ミラー、自由曲面ミラーなどの球面形状のミラーでも構わない。部品数が２個低減されるため、取り付け工程時間の短縮や低コスト化が可能である。また、投射レンズ１３を小型に設計することで、光学エンジン１００の小型化が可能である。

なお、ＤＭＤ８４を用いた光学エンジン１００は、図８から図１２の構成に限定されないことは言うまでもない。

また、本実施例に記載の光学エンジン１００に、電源部と、回路部と、信号処理手段を組み合わせた映像表示装置は、小型化とスクリーン上の照度均一の両立を簡素な構成で実現することが可能である。

本発明を映像表示素子に反射型液晶表示素子であるＬＣＯＳを用いた映像表示装置に適用したときの実施例を、図１３に示す構成例に基づいて説明する。

図１３は、本発明における実施例２の投射型表示装置の光学エンジン１００の一例を示す。光学エンジン１００は、所定の波長もしくは波長帯の光束を出射するＬＥＤ光源１、ＬＥＤ光源２、ＬＥＤ光源３を有する。本実施例では、例えばＬＥＤ光源１は中心波長が約６１５ｎｍの赤色光束、ＬＥＤ光源２は中心波長が約４６０ｎｍの青色光束、ＬＥＤ光源３は中心波長が約５２５ｎｍの緑色光束であるとする。各波長は上記の値でなくても構わない。また所定の波長帯を有していても何ら構わない。また、ＬＥＤ光源から出射する光束は、光源の中心の強度がもっとも高い対称な光量分布となっており、もっとも強度の大きい中心を光の光軸であるとする。

ＬＥＤ光源１とＬＥＤ光源２は、光源ユニット４の中に並べて搭載されている。互いの光源が近接して並ぶため、光源素子の小型化を実現することができる。

ＬＥＤ光源１を出射した赤色光束とＬＥＤ光源２を出射した青色光束は、取り込みレンズ５にて略平行光に変換される。ＬＥＤ光源３を出射した緑色光束は、取り込みレンズ６にて略平行光に変換される。なお、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６は、ガラスまたはプラスチックの等方的な球面レンズまたは非球面レンズを想定している。また、図１３において取り込みレンズ４、５は、１枚のレンズで示しているが、所望の略平行光束を得るために例えば２枚以上設けても何ら構わない。

くさび型ダイクロイックミラー７は、取り込みレンズ５および取り込みレンズ６を通過した赤色光束、青色光束、緑色光束を合成する光合成素子である。くさび型ダイクロイックミラー７のうち、取り込みレンズ５側のミラー面７ａは、赤色光束を反射、青色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面である。また、取り込みレンズ６側のミラー面７ｂは、青色光束を反射、赤色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面である。この機能によって、３色の光束を合成し、両側レンズアレイ９１に入射する。

ここで、赤色光束の光源光軸は、レンズアレイの光軸に対して略平行もしくは所定の角度でレンズアレイの光軸から所定量オフセットして入射するように、ミラー面７ａの角度を設定する。また、青色光束の光源光軸も同様に、レンズアレイの光軸に対して略平行もしくは所定の角度でレンズアレイの光軸から所定量オフセットして入射するように、ミラー面７ｂの角度を設定する。また、緑色光束の光源光軸は、レンズアレイの光軸に対して略一致して入射するように、ＬＥＤ光源３および取り込みレンズ６の角度を設定する。

このように、くさび型ダイクロイックミラー７を用いてレンズアレイに入射する３個の光束の光源光軸を互いに一致しないで入射させることで、光束の光量分布が非対称な場合においてスクリーン上で照度分布を均一にすることが可能である。

両側レンズアレイ９１に入射した光束は出射面のレンズアレイに設けられたレンズセル数分の仮想光源像となる。なお、図１３では一辺のレンズ数を５個で記載しているが、５個に限定されないことは言うまでもない。また、両側レンズアレイ９１の代わりに、片面レンズアレイを２枚配置しても、何ら構わない。

両側レンズアレイ９１を通過した光束は、偏光変換素子１３１に入射する。偏光変換素子１３１は、ランダム偏光を所望の偏光に変換する素子である。本構成においては、ＬＥＤ光源を出射したランダム偏光の光束を、両面レンズアレイ９１で偏光変換素子１３１の各偏光膜上に集光するように変換する。各偏光膜でＰ偏光とＳ偏光に分離したのち、例えばＰ偏光の出射部に１／２波長板を設けてＳ偏光にすることで、ランダム光束をＳ偏光へと変換する機能をもつ。これにより、偏光ビームスプリッタ１３２による光量のロスをなくし、高効率の光学系を実現することが可能である。

偏光変換素子１３１を通過した光束は、リレーレンズ１０を通過して、偏光ビームスプリッタ１３２の偏光膜１３２ａを反射する。偏光ビームスプリッタ１３２は、所定の方向の偏光を通過し、その方向と直交する方向の偏光を反射する機能をもつ光分岐素子である。本構成においては、Ｓ偏光を反射して、Ｐ偏光を通過する機能をもつとする。

偏光ビームスプリッタ１３２を通過した光束は、リレーレンズ１１を通過後に１／４波長板１３３で円偏光に変換され、反射型液晶表示素子であるＬＣＯＳ１３４に入射する。このように、両側レンズアレイ９１から１／４波長板１３３までの光学系によって、ＬＣＯＳ１３４では照度が均一で高効率の像を形成することができる。なお、図１３においてリレーレンズは２枚で構成しているが、所望の像をＬＣＯＳ１３４で得られれば何枚使用しても構わない。また、光束の効率を向上させるために、例えばリレーレンズ１０と偏光ビームスプリッタ１３２の間や、リレーレンズ１０と１／４波長板１３３の間に、位相補償板を設けても構わない。

ＬＣＯＳ１３４を反射した反射光束は、再度１／４波長板１３３でＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１３２の偏光膜１３２ａを通過する。偏光ビームスプリッタ１３２を通過した反射光束は、投射レンズ１３を通してスクリーン（図示せず）に拡大投影された映像を表示する。以上の構成で、反射型液晶表示素子であるＬＣＰＳ１３４を用いた構成において、照度分布が均一な光学エンジン１００を実現することができる。また、投射レンズ１３を小型に設計することで、光学エンジン１００の小型化が可能である。

図１４は、ＬＣＯＳ１３４を用いた投射型表示装置の光学エンジン１００の別の例を示した図である。図１４と異なり、リレーレンズ１１を偏光ビームスプリッタ１３２の前に設け、リレーレンズ１０とリレーレンズ１１の間にミラー８１を設けている。それ以外は図１３と同じ構成のため、説明を省略する。

リレーレンズ１１を、偏光ビームスプリッタ１３２の前に設けることで、ＬＣＯＳ１３４への入射光束のみに機能する素子とすることができるため、シンプルな形状にすることが可能である。また、ミラー８１を設けて光路を折り曲げることで、光学エンジン１００全体のサイズをコンパクトにすることが可能である。

なお、ＬＣＯＳ１３４を用いた光学エンジン１００は、図１３や図１４の構成に限定されないことは言うまでもない。

また、本実施例に記載の光学エンジン１００に、電源部と、回路部と、信号処理手段を組み合わせた映像表示装置は、小型化とスクリーン上の照度均一の両立を簡素な構成で実現することが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。

また、上述の実施例は、投射映像を面投射する投射型表示装置の光源装置について述べたが、面投射する光源光を使用する装置、例えば、光学顕微鏡の照明ユニットにも適用可能な技術である。特に、拡散光を発光する点光源を光源として、照度の均一性を図るレンズアレイを有する照明ユニットに有用な構成となっている。

１…ＬＥＤ光源、２…ＬＥＤ光源、３…ＬＥＤ光源、４…光源ユニット、５…取り込みレンズ、６…取り込みレンズ、７…くさび型ダイクロイックミラー、８…レンズアレイ、９…レンズアレイ、１０…リレーレンズ、１１…リレーレンズ、１２…映像表示素子、１３…投射レンズ、１００…光学エンジン

Claims (10)

1. 投射映像を面投射する投射型表示装置の光源装置であって、
   第１の色光の面照射光を出力する第１の固体光源と、
   第２の色光の面照射光を出力する第２の固体光源と、
   第３の色光の面照射光を出力する第３の固体光源と、
   前記第１の固体光源の光束を反射する第１のダイクロイック面と前記第２の固体光源の光束を反射する第２のダイクロイック面とが互いに非平行で対面して設けられ、前記第３の固体光源の光束が前記第１のダイクロイック面と前記第２のダイクロイック面を屈折透過するくさび型ダイクロイックミラーと、
   前記くさび型ダイクロイックミラーから入射する光束の照度分布を平滑化するレンズアレイと、を備え、
   前記第３の固体光源の光束の光軸は、前記くさび型ダイクロイックミラーによって前記レンズアレイの中心の法線に一致するように前記レンズアレイに入射し、
   前記第１の固体光源の光束の光軸と前記第２の固体光源の光束の光軸は、前記くさび型ダイクロイックミラーによって前記レンズアレイの中心の法線に対して互いに線対称となるように反射して、前記レンズアレイに入射することを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記第１の固体光源と前記第２の固体光源は近接して配置され、
   前記第１の固体光源と前記第２の固体光源の出射光を略平行光に変換して前記くさび型ダイクロイックミラーに出射する球面あるいは非球面の第1の平行化レンズと、
   前記第３の固体光源の出射光を略平行光に変換して前記くさび型ダイクロイックミラーに出射する球面あるいは非球面の第２の平行化レンズと、を備え、
   前記第1の固体光源と前記第２の固体光源は、前記第1の平行化レンズの光軸上と異なる位置に所定量オフセットして配置され、
   前記第1の固体光源の略平行化された光束の光軸と前記第２の固体光源の略平行化された光束の光軸の方向は、前記第1の平行化レンズの光軸の方向と異なり、
   前記第３の固体光源は、前記第２の平行化レンズの光軸上の位置に配置され、
   前記第３の固体光源の略平行化された光束の光軸の方向は、前記第２の平行化レンズの光軸の方向と等しいことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の光源装置において、
   前記第１の固体光源の光束の光軸と前記第２の固体光源の光束の光軸は、前記レンズアレイの中心の法線に対して略平行に所定量シフトして前記レンズアレイに入射することを特徴とする光源装置。
4. 請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の光源装置において、
   前記第１の固体光源の光束の光軸と前記第２の固体光源の光束の光軸は、前記レンズアレイの中心の法線に対して所定の角度傾いて前記レンズアレイに入射することを特徴とする光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置において、
   前記第１の固体光源の光束あるいは前記第２の固体光源の光束の光軸は、前記レンズアレイの光軸と前記第１のダイクロイック面との交点を通過し、
   前記交点と前記レンズアレイの垂直距離をＬ、
   前記レンズアレイのひとつのレンズ面の一辺をＷ、
   前記レンズアレイに入射する前記第１の固体光源の光束あるいは前記第２の固体光源の光束の光軸と前記レンズアレイの光軸のなす角をθとしたときに、
   ｔａｎθ＜（Ｗ／２）／Ｌ
   の関係を満たすことを特徴とする光源装置。
6. 請求項４に記載の光源装置において、
   前記第１の固体光源の光束の光軸あるいは前記第２の固体光源の光束の光軸は、前記レンズアレイの中心の法線と前記第１のダイクロイック面との交点から所定量ずれた位置を通過し、
   前記レンズアレイの中心の法線に対して所定の角度傾いて前記レンズアレイに入射することを特徴とする光源装置。
7. 請求項６に記載の光源装置において、
   前記第１の固体光源の光束の光軸あるいは前記第２の固体光源の光束の光軸の前記第１のダイクロイック面の通過位置の、前記レンズアレイの光軸からの距離をＤ、
   前記交点と前記レンズアレイの垂直距離をＬ、
   前記レンズアレイのひとつのレンズ面の一辺をＷ、
   前記レンズアレイに入射する前記第１の固体光源の光束の光軸あるいは前記第２の固体光源の光束の光軸と前記レンズアレイの光軸のなす角をθとしたときに、
   ｔａｎθ＜（Ｗ／２−Ｄ）／Ｌ
   の関係を満たすことを特徴とする光源装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の光源装置において、
   前記第１の色光は赤色光であり、前記第２の色光は青色光であり、前記第３の色光は緑色光であることを特徴とする光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置の前記レンズアレイを出射した光を重畳する第１のリレーレンズと、
   前記光の光路を所定の方向に折り曲げるミラーと、
   前記光を略平行光に変換する第２のリレーレンズと、
   前記光の光路長差を補正する光学プリズムと、
   前記光の入射角に応じて光を全反射もしくは透過させるＴＩＲプリズムと、
   前記光を受け、映像信号に応じた映像光を形成するマイクロミラー型映像表示素子と、
   該映像光をスクリーン上に投影する投影レンズを少なくとも備えることを特徴とする投射型表示装置。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置の前記レンズアレイを出射した光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
    前記偏光変換素子を出射した光を重畳する第１のリレーレンズと、
    前記光の偏光方向に応じて光を反射もしくは透過させる偏光ビームスプリッタと、
    前記光を略平行光に変換する第２のリレーレンズと、
    前記光を受け、映像信号に応じた映像光を形成する反射型液晶表示素子と、
    該映像光をスクリーン上に投影する投影レンズを少なくとも備えることを特徴とする投射型表示装置。

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