JPH11174403A

JPH11174403A - 照明装置

Info

Publication number: JPH11174403A
Application number: JP9343309A
Authority: JP
Inventors: Shin Iima; 伸飯間; Masahito Kikuchi; 雅仁菊地; Miki Mizoguchi; 幹溝口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 1999-07-02
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: JP3704928B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ランプの利用効率を向上する。【解決手段】ランプ１から出射される光を平行光とし
た状態で、その照射領域を被照射面の対角サイズに対応
させることができる集光レンズ４、凹平レンズ５を設け
る。また、集光レンズ４、凹平レンズ５から出射され前
記被照射面に入射しない領域に照射される光を偏向し
て、前記被照射面内に照射することができる光偏向手段
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶プロジ
ェクタ装置の光源として用いられる照明装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は例えば１枚の液晶パネルを用い
た単板式液晶プロジェクタ装置の光学系の一構成例を示
す摸式図である。ランプ４０は例えば楕円型のリフレク
タ４０ａを有しており、発光部４０ｂから出射された光
線を前方に反射する。また、図示は省略するが例えば放
物面リフレクタを有したランプを用いて、その前方にコ
ンデンサレンズ等の集光手段等を配置して集光すること
も知られている。ランプ４０から出射した光線（ＲＧ
Ｂ）はリレーレンズ系４１を介してフィールドレンズ４
２に入射する。リレーレンズ系４１には図示していない
が集光用の格子が設けられており、この格子を通過する
像が仮想光源とされフィールドレンズ４２に入射する。

【０００３】フィールドレンズ４２はリレーレンズ系４
１から入射した光線を平行光として出射することができ
るようにされており、すなわちリレーレンズ４１とフィ
ールドレンズ４２によってテレセントリック系を形成し
ている。フィールドレンズ４２から平行光として出射さ
れた光線は色分離部４３によってＲＧＢ各色に分離され
る。色分離部４３は赤色光のみを反射するダイクロイッ
クミラー４３Ｒ、緑色光のみを反射するダイクロイック
ミラー４３Ｇ、青色光のみを反射するダイクロイックミ
ラー４３Ｂによって構成され、フィールドレンズ４２か
ら入射する光線に対して水平方向に例えば約４５°程度
の角度を有して配置されている。各ダイクロイックミラ
ー４３（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は、後述する液晶パネルによって
形成される画像の水平ラインと同方向に発散して出射す
るように、それぞれ所定の煽り角δを有して配置されて
おり、ここで反射された各色光は発散角２δで出射する
ことで色分離が行なわれる。

【０００４】色分離部４３で分離された各色光（Ｒ、
Ｇ、Ｂ）は、光線に対して例えば水平方向に例えば約４
５°の角度を有して配置されている全反射ミラー４４で
反射されて、例えば偏光板４５、液晶パネル４６、偏光
板４７等からなる液晶パネル部４８に入射する。液晶パ
ネル４６は図示していない経路から供給される駆動信号
によって画素を形成している液晶を駆動して、偏光板４
５を介して入射した各色光の透過を制御して光変調を行
なう。そして液晶パネル部４８で光変調されたＲＧＢ各
色の光線は偏光板４７を介して投影レンズ４９で拡大さ
れてスクリーン５０に映し出される。なお、全反射ミラ
ー４４は光学系の小型化を考慮して配置されているの
で、図示した構成においては必ずしも必要ではない。し
たがって、色分離部４３で分離された各色光を直接液晶
パネル部４８に入射するように構成することも可能であ
る。

【０００５】ここで、図１２の摸式図にしたがい、液晶
パネル４６の構成及びＲＧＢ各色光の光路を説明する。
液晶パネル４６の入射面には、例えば高精細パネルに対
応するために液晶を駆動するＴＦＴ（Thin Film Trangi
ster）基板の対向基板内、すなわち液晶部６１の前段に
マイクロレンズ６２ａ、６２ａ、６２ａ・・・が形成さ
れているマイクロレンズアレー６２が形成されている。
そしてマイクロレンズ６２ａで集光されたＲＧＢ各色光
線は液晶部６１で光変調されブラックマトリクス６３、
６３、６３・・・の間隙とされる画素Ｐから出射して画
像を形成する。なお、この図では、一例として１個のマ
イクロレンズ６２ａに入射するＲＧＢ各色光について示
している。また、距離Ｆはマイクロレンズ６２ａの焦点
距離（主点〜焦点）、距離ｄはマイクロレンズ６２ａの
主点から画素の出射部分までの距離を示している。

【０００６】色分離部４３で分離されたＲ光（破線）、
Ｇ光（実線）、Ｂ光（一点鎖線）はそれぞれ相互に２δ
の角度を以てマイクロレンズ６２ａに入射し、当該マイ
クロレンズ６２ａに対応している画素Ｐに集光されて出
射することになる。すなわち、図示は省略するが各マイ
クロレンズ６２ａ、６２ａ、６２ａ・・・にそれぞれＲ
光、Ｇ光、Ｂ光が入射すると、一つの画素Ｐに対してそ
れぞれＲ、Ｇ、Ｂの各色光が集光して合成されるように
なる。したがって、液晶パネル４６にカラーフィルタを
設ける必要なく、カラー画像を形成することができるよ
うになる。

【０００７】このように、液晶部６１の前段にマイクロ
レンズアレー６２を設けることによって、集光効率を増
加することができ、さらにカラーフィルタを用いない場
合の吸収率の減少による実効開口率の向上が図られる。
さらにプリズムなどの光学素子を用いた色合成も必要と
しないので、例えばＲＧＢ各色に対応した３枚の液晶パ
ネルを用いて、ランプからの光を各色毎に分離した後に
光変調を行なった後に、各色光を合成してカラー画像を
形成する３板式液晶プロジェクタ装置と比較しても、遜
色のない輝度を得ることが可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、画像の輝度
を向上するために、ランプから出力される光を有効に利
用することが考えられている。通常、ランプから出射さ
れる光は直交する２種類の偏光面を有しており、これら
の偏光面は一般的にＰ偏光成分（以下、Ｐ波という）と
Ｓ偏光成分（以下、Ｓ波という）に分けることができ
る。すなわち、偏光変換手段を用いることで、ランプか
ら出射されるランダム偏光波（Ｐ波＋Ｓ波）から、Ｐ波
とＳ波を分離した後に例えばＳ波をＰ波に変換して、Ｐ
波のみにより画像を形成することで、光の利用効率を図
っている。

【０００９】例えば３板式液晶プロジェクタ装置では、
ランプから出力される光をムラなく有効に利用するため
のインテグレータや、光の偏光成分を変換する偏光変換
手段を用いた光学系が知られている。このような３板式
液晶プロジェクタ装置の光学系では、各色光の合成を利
用して画像を形成しているので、平行光を利用する必要
性はない。

【００１０】しかし、図１１、図１２で説明した単板式
液晶プロジェクタ装置においては、マイクロレンズ６２
ａに対する光の入射角度が制約されるため、色分離部４
３に入射する光は平行度が要求される。このため、イン
テグレータや偏光変換手段などを用いると、その構造
上、色分離部４３などの被照射面に対して平行光を照射
することが困難である。さらに、インテグレータと偏光
変換手段を組み合わせて利用すると光量アップを図るこ
とができるが、光の平行度を得ることができないという
問題がある。

【００１１】また、従来の液晶プロジェクタ装置では、
例えばリフレクタ４０ａやフィールドレンズ４１などの
構成上などの理由により、平行光をそのまま液晶パネル
部４８に照射すると、ほぼ円形とされるランプの照射領
域に対して、例えば液晶パネルの画像形成領域は表示画
像に対応して例えば４：３アスペクト比の長方形とされ
ている。すなわち、画像形成領域以外の部分（例えば液
晶パネルの外枠など）に照射される光は画像形成には利
用されることなく無駄なものとなっていた。

【００１２】また、ここで利用されない光は、形成され
る画像の輝度に寄与しないばかりか、装置筐体の内部に
熱を発生させる原因にもなるので、冷却手段（大型のフ
ァンなど）を備える必要が生じてくる。これにより、コ
ストがかかるとともにプロジェクタ装置自体が大型化し
てしまう。

【００１３】また、偏光変換手段の出射部の面積は例え
ば液晶パネルなどの面積と同等に形成されるが、入射部
はその構造などの理由から出射部の例えば１／２程度の
面積とされている。すなわち、ランプからの光が液晶パ
ネルよりも狭い面積で形成されている入射部に対して効
率良く入射することは困難であるという問題がある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点を解決するために、少なくとも、ランプから出射した
光を光変調して画像を形成する光変調手段と、前記光変
調手段で形成された画像を投射する投射手段を備えた表
示装置に用いられる照明装置として、前記ランプから出
射される光を平行光とした状態で、その照射領域を被照
射面の対角サイズに対応させることができる集光手段を
設ける。

【００１５】本発明によれば、ランプの開口部の径より
も小さい領域に対応した平行光を形成することができ
る。したがって、従来では利用することができなかった
領域の光を有効に利用することができ、例えば液晶パネ
ルなどの被照射面に対して効率良い照射を行なうことが
できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は第一の実施の形態の照明装置の構成例を説
明する摸式図である。ランプ１は放物面で構成されるリ
フレクタ２内に発光部３が配置されている。そして発光
部３から出射した光はリフレクタ２の内面で反射され、
その開口部から例えば平行光として前方に出射される。
リフレクタ２の開口部は例えばφａとされる径で構成さ
れ、すなわちリフレクタ２から出射される光は径φａと
される領域を照明することが可能とされる。ランプ１の
前方には集光用の凸レンズとして集光レンズ４が配置さ
れ、リフレクタ２から出力された光を凹平レンズ５の入
射面に集光させるようにしている。凹平レンズ５は集光
レンズ４からの光を、例えば径φｂとされる領域に照射
することができる平行光に変換して出射することができ
るようにされている。

【００１７】ここで、集光レンズ４をｆ１（ｆ１＞
０）、凹平レンズ５をｆ２（ｆ２＜０）とした場合、こ
れらのレンズが距離Ｌをおいて配置されている場合、ｆ１−Ｌ＝−ｆ２及びｆ１＞Ｌの二つの式を満たすことにより、近軸領域でアフォーカ
ルとなり平行光を出射することができる。すなわち、凹
平レンズ５は集光レンズ４の焦点距離よりも手前に配置
されることになる。

【００１８】凹平レンズ５から出射される平行光の径φ
ｂは後述するように、例えば液晶パネルなどの被照射面
の対角線に相当する長さとされる。これにより、凹平レ
ンズ５によって被照射面に対する効率の良い照射領域と
される光を形成することが可能になる。すなわち、集光
レンズ４及び凹平レンズ５としては、ランプ１からの光
を被照射面の対角線とほぼ同等の径とされる平行光に変
換することができるように構成される。

【００１９】このように、ランプ１から出射された平行
光を集光レンズ４によって凹平レンズ５に集光して、さ
らに凹平レンズ５により再び平行光に変換することで、
光量を失うことなくリフレクタ２の径φａよりも小さい
径φｂとされる領域を照明することができる平行光を形
成することができる。

【００２０】図２は図１に示した径φａ、φｂとされる
光束と、この光束によって照射される例えば液晶パネル
などの被照射面の面積の関係を説明する図である。図２
（ａ）は径φａとされる光束の照射領域６と被照射面７
を示しているが、この図からわかるように、ランプ１か
ら径φａで出射される光の照射領域６は被照射面７に対
して広いので、まず集光レンズ４によって凹平レンズ５
に集光される。そして、凹平レンズ５により、図２
（ｂ）に示されているように径φｂとされる照明領域８
を形成する。これにより照明領域８の径φｂと被照射面
６の対角線とほぼ一致するようにされ、図２（ａ）に示
した場合に対して無駄になる光を低減して光の利用効率
を向上を図ることができる。

【００２１】図３は被照射面を、例えばＰ波をＳ波に変
換することができるように構成されている偏光変換ブロ
ックの入射部とした場合の例を説明する図である。この
図に示されている偏光変換ブロック１０は、例えばガラ
スなどの透明部材を組み合わせた構造とされ、図示して
いない集光レンズ４、凹平レンズ５から出射されるＰ＋
Ｓ波の光（黒塗り矢印）を、Ｐ波（一点鎖線矢印）とＳ
波（破線矢印）に分離して、その後Ｓ波をＰ波に偏光す
るようにされている。

【００２２】偏光変換ブロック１０の入射部１１の水平
方向（矢印Ｈ）の幅Ｔａは図２（ｂ）に示した被照射面
６における長手方向の幅Ｔａに対応している。この幅Ｔ
ａは図示していない被照射面とされる液晶パネルの長手
方向の１／２の幅とされる。入射部１１の外側には、偏
光変換ブロック１０では必要とされない光を遮断するた
めに例えばミラーなどによって構成されるマスク１２、
１２が設けられている。

【００２３】入射部１１から入射したＰ＋Ｓ波は偏光分
離手段とされる偏光ビームスプリッタ１３によってＰ波
とＳ波に分離され、Ｐ波は偏光ビームスプリッタ１３を
透過して直進してそのまま偏光変換ブロック１０から出
射される。一方Ｓ波は偏光ビームスプリッタ１３で反射
されてミラー１４、１４に到達する。そしてこのミラー
１４、１４によって前方に反射され、λ／２板１５、１
５を通過することでＰ波に変換されて出射される。した
がって、偏光変換ブロック１０の出射部１６からは、例
えばＰ波のみが出射されることになる。

【００２４】出射部１６は、例えばその水平方向の幅が
入射部１１の約２倍（２Ｔａ）とされ、入射部１１に入
射したときの約２倍の面積で例えばＰ波を出射すること
ができるようにされている。また出射部１６の面積は、
例えば液晶パネルなどの被照射面の面積に対応している
ので、この出射部１６から効率の良い出射を行なうこと
で、画像の輝度を向上することができる。このように、
偏光変換ブロック１０は入射した光の偏光面を、図示さ
れていない液晶パネルに構成されている偏光板の特性に
対応するように揃えて、入射時の約２倍の面積で出射す
ることができるようにされている。

【００２５】本発明では、このように構成されている偏
光変換ブロック１０の前段に例えば図１に示した集光レ
ンズ４、凹平レンズ５を配置することにより、ランプ１
からの光の照射領域を縮小して入射部１１付近に集中さ
せて、従来マスク１２、１２によって遮断されていた光
も入射部１１に導くことができるようになる。

【００２６】図４（ａ）は偏光変換ブロック１０の入射
部１１と、ランプ１の照射領域の関係を摸式的に示す図
である。なお、図４は矢印Ｈを例えば水平方向として示
し、上記した偏光ビームスプリッタ１３、１３などの光
学素子を水平方向に並置して構成した例を示している。
破線で示されている照射領域８の径φｂは入射部１１の
対角線とほぼ一致するように構成されている。照射領域
８に照射された光のうち、その中心部分に相当する入射
部１１に入射した光が利用されるが、図３で説明したよ
うにＰ／Ｓ変換されて、図４（ｂ）に示されているよう
にその水平方向の幅が２Ｔａとされている出射部１６か
ら出射される。

【００２７】これにより、ランプ１の径が入射部１１の
対角線よりも大きいような構成となる場合でも、集光レ
ンズ４、凹平レンズ５によって、入射部１１の対角線に
対応した領域を照射することができる平行光を形成する
ことができる。この場合、平行光の径φｂと入射部１１
の対角線をほぼ一致させるようにすることにより、入射
部１１全域に渡って最も効率良く平行光の入射を行なう
ことが可能である。また、入射部１１に入射する平行光
はランプ１からの光を集中させるように形成されている
ので、光量を失わずにＰ／Ｓ変換を行ない光の有効利用
を図るとともに、輝度を向上することが可能である。

【００２８】また、図３に示す矢印Ｈを例えば垂直方向
として、上記した偏光ビームスプリッタ１３、１３など
の光学素子を垂直方向に並置して偏光変換ブロック１７
を構成すると図５（ａ）（ｂ）に示されているようにな
る。図５（ａ）に示されている偏光変換ブロック１７
は、入射部１８の対角線が照射領域８ｒの径φｂｒに対
応し、垂直方向の幅がＴｂｒとして構成され、その上下
にマスク１９、１９が形成されている。これにより、図
５（ｂ）に示されているように垂直方向の幅が２Ｔｂｒ
とされている出射部２０からは、図３に示した場合と同
様にしてＰ／Ｓ変換された光が出射される。この場合
も、入射部１８に集中されたランプ１の光が、入射部１
８の例えば２倍の面積とされる出射部２０から出射され
る。

【００２９】ところで、図１１で説明した単板式液晶プ
ロジェクタ装置の場合、色分離部４３によって行なわれ
るＲＧＢ各色光の分離は、水平方向に所定の角度を以て
行なわれるので、ランプから光は水平方向の平行度が要
求される。しかし、垂直方向の平行度に関しては、液晶
パネルの画素配列などの条件にもよるが、特に縦方向の
ストライプによって画素が配列される構成とされている
場合、厳密な平行度が要求されるわけではない。そこ
で、液晶パネルの外側の領域を照射する光を例えばレン
ズなど光偏向手段によって屈折させ、液晶パネル内に照
射することによって有効に利用することも考えられる。

【００３０】図６は第二の実施の形態として光偏向手段
を備えた照明装置の構成例を示す図である。ランプ１ａ
はリフレクタ２ａ内に発光部３ａが配置されているが、
このリフレクタ２ａはその開口部の径がφａとされ、出
射された光を凹平レンズ５に対して径φｂの照射領域を
以て集光するように構成されている。凹平レンズ５はラ
ンプ１ａから入射した光を平行光に変換して出射する
が、この図に示す例では、出射側に集光レンズ２１を配
置して、凹平レンズ５によって変換された平行光を被照
射面７に集中させるように屈折するように構成されてい
る。

【００３１】集光レンズ２１は図７に平面図が示されて
いる。その中央部分は例えば凹部２１ａとして構成さ
れ、その垂直方向の幅は、被照射面７の垂直方向の幅と
同等に構成されており、凹平レンズ５の中心部付近から
入射した平行光をそのまま平行光として出射する。この
凹部２１ａの両端に形成されている傾斜部２１ｂ、２１
ｃは、凹平レンズ５の周辺部付近から出射する光を屈折
して被照射面７に対して入射させることができる傾斜角
度を以て構成されている。なお、集光レンズ２１の凹部
２１ａに相当する中央部分は平面で構成されていれば良
いので、必ずしも凹形状として構成される必要はない。
例えば図６に示す傾斜部２１ｂ、２１ｃの間において破
線で示されているような平面として、側面から見た形状
として例えば台形となるように構成しても良い。

【００３２】図６に示したように集光レンズ２１を配置
した場合の照射領域について図８（ａ）（ｂ）にしたが
い説明する。図８（ａ）は集光レンズ２１を用いない場
合の照射領域８を示している。この場合ハッチングで示
されている液晶パネル５以外の領域の光は無駄になって
しまうが、集光レンズ２１を配置すると図８（ｂ）に示
されているように被照射面７の上方、及び下方の領域の
光を屈折させて重ね合わせるようにして被照射面７に対
して入射させることができるようになる。

【００３３】ところで、凹平レンズ５、偏光変換ブロッ
ク１７、及び集光レンズ２１を組み合わせて光学系を構
成することにより、各光学素子による相乗効果を得るこ
とができ、より光輝度の画像を得ることができるように
なる。この場合、偏光変換ブロック１７を液晶パネルの
直前に配置することにより、照射領域の集光効果と例え
ば垂直方向の重ね合わせの点でも有効な構成となる。

【００３４】凹平レンズ５、偏光変換ブロック１７、及
び集光レンズ２１を組み合わせて構成した液晶プロジェ
クタ装置の光学系を例えば上方から見た場合を図９に示
す。この図に示す光学系では、リフレクタ２から出射さ
れた光を凹平レンズ５によって平行光に変換された後
に、図８に示した場合と同様にして集光レンズ２１によ
って集光される。ここでは、色分離部２２の後段に配置
されている偏光変換ブロック１７の入射部１８に対して
光が集中するようにされる。そして偏光変換ブロック１
７でから出射される光は図１１に示した液晶部４８に相
当する液晶パネル２３によって光変調され、投射レンズ
２４によって投写される。

【００３５】偏光変換ブロック１７の入射部１８におけ
る照射領域としては図１０に示されているようになる。
図示されているように、本来入射部１８の上方及び下方
（マスク１９、１９に）に入射すべき光を屈折させて、
ハッチングで示されているように入射部１８上で重ね合
わせるようにしている。これにより、ランプの光を凹平
レンズ５及び集光レンズ２１によって入射部１８に集中
させ、さらに、偏光変換ブロック１７によるＰ／Ｓ変換
によって光の有効利用を図ることができるといった相乗
効果を得ることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明は、ランプ
から出力される光のうち、従来では利用することができ
なかった領域に照射される光を有効に利用することがで
きるので、例えば液晶パネルなどの被照射面に対して効
率良い照射を行なうことができる。これにより、照射面
積当たりの輝度を向上することができ、より高輝度の画
像を形成することができるようになる。また、本発明は
ランプや被照射面の構成はそのままで、ランプの前方に
集光手段とされるレンズを設けることによって構成する
ことができるので、容易かつ低価格で実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態における照明装置の
構成を説明する図である。

【図２】図１に示す照明装置の照射領域を説明する図で
ある。

【図３】偏光変換ブロックの入射部を被照明面とした場
合の説明図である。

【図４】偏光変換ブロックの入射部とランプの照射領域
の関係を説明する図である。

【図５】偏光変換ブロックの入射部とランプの照射領域
の関係を説明する図である。

【図６】本発明の第二の実施の形態における照明装置の
構成を説明する図である。

【図７】図６に示す集光レンズの正面図である。

【図８】図６に示す照明装置の照射領域を説明する図で
ある。

【図９】本発明を単板式液晶プロジェクタ装置に適用し
た場合の構成例を説明する図である。

【図１０】図９に示す偏光変換ブロックの入射部におけ
るランプの照射領域を説明する図である。

【図１１】単板式液晶プロジェクタ装置の光学系の一例
を説明する図である。

【図１２】図１１に示す液晶パネルの構成及びＲＧＢ各
色光の光路を説明する図である。

【符号の説明】

１ランプ、２リフレクタ、３発光部、４，２１
集光レンズ、５、凹平レンズ、６，８，８ｒ照射領
域、７被照射面、１０、１７偏光変換ブロック、１
１、１８入射部、１６、２０出射部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、ランプから出射した光を光
変調して画像を形成する光変調手段と、前記光変調手段で形成された画像を投射する投射手段
と、を備えた表示装置に用いられる照明装置として、前記ランプから出射される光を平行光とした状態で、そ
の照射領域を被照射面の対角サイズに対応させることが
できる集光手段を設けたことを特徴とする照明装置。
【請求項２】前記集光手段から出射され前記被照射面
に入射しない領域に照射される光を偏向して、前記被照
射面内に照射することができるように構成されている光
偏向手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の照
明装置。
【請求項３】前記ランプから出射した光を第一の偏波
光及び第二の偏波光に分離した後に、第二の偏向光を第
一の偏向光に変換する偏光変換手段を設けるとともに、
前記集光手段は前記ランプの照射領域を前記偏光変換手
段の対角サイズに対応した領域に変換することができる
ように構成されていることを特徴とする請求項１に記載
の照明装置。
【請求項４】前記偏光変換手段を前記光変調手段の直
前に配置したことを特徴とする請求項３に記載の照明装
置。