JP2001215617A - 光源装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明による光源装置は、放物面鏡の光軸近
傍における高倍率での照明光束生成を抑制し、簡易な構
成で光利用効率のよい光源装置を得ることを目的とす
る。 【解決手段】 本発明による光源装置は、放物面鏡と、
前記放物面鏡の焦点に配置される光源とにより構成さ
れ、前記光源から出射し前記放物面鏡により反射される
光を結合光学系を介して出力する光源装置において、前
記光源と前記結合光学系との間に設けられ、前記放物面
鏡に光を反射する平面鏡を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光源装置および該光
源装置を用いた投写型表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は一般的な光源装置の構成を示す図
である。図７において、１はランプ、２は放物面鏡、３
はレンズである。ランプ１は放物面鏡２の焦点に配置さ
れ、ランプ１からの出射光は放物面鏡２により略平行照
明光束Ｌ変換され、レンズ３により被照明対象領域Ｓに
集光される。

【０００３】ランプ１としては、例えばメタルハライド
ランプ、キセノンランプ等の放電ランプや、ハロゲンラ
ンプ等が用いられる。図７に示す光源装置を用いる投写
型表示装置において、被照明対象領域Ｓには液晶パネル
（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭ
Ｄ）、薄膜マイクロミラーアレイ（ＴＭＡ）、イメージ
ライトアンプリファイア（ＩＬＡ）、グレーティングラ
イトバルブ（ＧＬＶ）等のライトバルブ手段が配置され
る。

【０００４】ＤＭＤを用いた投射型表示装置の詳細はL.
A. Yoder, "Digital Light Processing: Spanning the
Display Industry with Digital Solutions", LCD/PDP
International'98 (1998)に示されている。また、ＧＬ
Ｖ素子を用いた投写型表示装置の詳細はD.M. Bloom:"Th
e Grating Light Valve: revolutionizing display tec
hnology", SPIE Vol. 3013, pp.165-171,(1997) に示さ
れている。

【０００５】図８に柱状光学素子を用いた光源装置の構
成を示す。図８において６は入射端面６ａおよび出射端
面６ｂを有する柱状光学素子、４１，４２はそれぞれ第
１，第２のレンズ手段である。柱状光学素子６は四角
形、円形、または多角形の断面を有する柱状の光学素子
である。

【０００６】図８に示す光源装置において、第１のレン
ズ手段４１により集光され柱状光学素子６の入射端面６
ａに入射した光束Ｌ’は柱状光学素子６の側面において
全反射されて出射端面６ｂに到達するか、または側面で
全反射することなく出射端面６ｂに到達する。出射端面
６ｂから出射する光束は第２のレンズ手段４２により集
光され被照明対象領域Ｓを照明する。このように柱状光
学素子６を設けることにより被照明領域Ｓにおいて明る
く均一性の高い照明光束を得ることができる。このよう
な柱状光学素子６を用いた照明系の詳細は特開平７−９
８４７９号公報に示されている。

【０００７】また同様に明るく均一性の高い照明光束を
得る他の光源装置としてレンズアレイを用いるものがあ
る。レンズアレイを用いた光源装置を図９に示す。図９
において１１は第１のレンズアレイ、１２は第２のレン
ズアレイである。

【０００８】図９に示す光源装置においてランプ１から
の出射光は放物面鏡２により略平行照明光束Ｌに変換さ
れ第１のレンズアレイ１１を照射する。第１のレンズア
レイ１１を透過した光束Ｌ”により複数の光源像が第２
のレンズアレイ上に形成される。これらの複数の光源像
は第２のレンズアレイ１２を介して被照明対象領域Ｓを
照射する。このように複数のレンズアレイを用いること
により明るく均一性の高い照明光束を得ることができ
る。このようなレンズアレイを用いた照明光学系の詳細
はN.Okamoto et al:"High Brghtness and High Resolut
ion Technology of p-Si TFT-LCD Front Projectors",I
DW,97 Proceedings of The Fourth International Disp
lay Workshops,pp.813-816（1997）に示されている。

【０００９】次に、上記の光源装置を用いた投写型表示
装置の一例を紹介する。図１０はＤＭＤを用いた投写型
表示装置の構成を示す図である。図１０において、９は
回転色フィルターユニットであり、複数の色を選択して
透過する色フィルター９１とこれを回転させるモータ９
２からなる。１３はＤＭＤ、１４は照明光束を折り曲げ
るプリズム、１５は投写レンズ、１６はスクリーンであ
る。

【００１０】ランプ１からの出射光は放物面鏡２により
略平行照明光束Ｌに変換され、第１のレンズ手段４１に
より集光照明光束Ｌ’に変換される。集光照明光束Ｌ’
はＤＭＤ１３を駆動する画像走査タイミングにあわせて
回転する色フィルター９１を透過することにより、時分
割的に選択着色された光束として柱状光学素子６の入射
端面６ａに集光される。柱状光学素子６の出射端面６ｂ
からの光は第２のレンズ手段４２により集光されると共
にプリズム１４により方向を折り曲げられ、ＤＭＤ１３
を照明する。ＤＭＤ１３に表示された画像光束はプリズ
ム１４を透過し、投写レンズ１５によりスクリーン１６
上に投影される。

【００１１】ＤＭＤを用いた投写型表示装置の詳細は、
L. A. Yoder, "Digital Light Processing: Spanning t
he Display Industry with Digital Solutions", LCD/P
DP International'98 (1998)に示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の光源装置ではラ
ンプ１を出射し、放物面鏡２の光軸近傍で反射した光束
の一部が被照明対象領域Ｓを外れることにより照明損失
が生じていた。光軸近傍の光束による照明損失は図７に
示す光源装置においては、レンズ３の焦点距離を短くす
ることによりある程度は改善できるが、焦点深度が小さ
くなることにより、ランプ１、放物面鏡２、およびレン
ズ３の配置裕度が小さくなる問題が生じる。以下、この
照明損失の詳細を述べる。

【００１３】図１１は光軸近傍の光束による照明損失を
説明するための説明図である。照明光学系において、被
照明対象領域Ｓでの集光特性は、光源像の大きさに横倍
率ｍをかけて推定することができる。近軸光学系での横
倍率ｍは放物面鏡２の焦点距離をｆｐ、レンズ３の焦点
距離をｆｃとして以下の式により表される。

【００１４】

【数１】

【００１５】放物面鏡２は図１１に示す焦点Ｏと反射点
Ａとの距離ρが光線高さｈにより大きく変化する光学系
である。ランプ１を出射し反射点Ａに入射する光線と光
軸とのなす角をθとした場合、焦点Ｏと反射点Ａとの距
離ρは以下の式により表される。

【００１６】

【数２】

【００１７】ランプ１を出射する光束と光軸とのなす角
がθのときの倍率を、式（１）において放物面鏡２の焦
点距離ｆｐを式（２）に より表される反射点Ａと焦点
Ｏとの距離ρで置き換えて得られる倍率ｍ１と定義する
と、この倍率ｍ１は以下の式により表すことができる。

【００１８】

【数３】

【００１９】式（３）が示すように倍率ｍ１は角θが小
さいとき、つまり放物面鏡２の反射光束Ｌが光軸近傍に
位置するほど大きく、より離れて位置するほど小さくな
る。このため、放物面鏡２の光軸近傍において反射さ
れ、レンズ３によりｍ１倍された光束の一部は被照明対
象領域Ｓを外れてしまう。また、図８に示す柱状光学素
子６を用いた光源装置においては入射端面６ａにおける
集光スポット径が拡大することにより、柱状光学素子６
の入射端面６ａを外れる光束、また光学特性が保証され
ない部分に入射する光束により損失光が生じる。図９に
示すレンズアレイを用いた光源装置においても第１のレ
ンズアレイ１１の単位レンズにより第２のレンズアレイ
１２に集光される光束のうち光軸近傍ではその集光スポ
ット径が拡大する。このように光軸近傍において第２の
レンズアレイ１２の単位レンズ上の集光スポット径が拡
大することにより同様に損失光が発生していた。（ただ
し、ここで倍率ｍ１は、式（３）においてレンズ３の焦
点距離ｆｃを第１のレンズアレイ１１の単位レンズの焦
点距離ｆｃ’とした式により表される。）こうした光軸
近傍の光束による損失光は結果として光の利用効率を低
下させる一因となっており、この種の光源装置を図１０
に示すような投写型表示装置に用いた場合、十分な明る
さの光が得られない問題があった。

【００２０】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、放物面鏡の光軸近傍における高
倍率での照明光束生成を抑制し、簡易な構成で光利用効
率のよい光源装置を得ることを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明による光源装置
は、放物面鏡と、前記放物面鏡の焦点に配置される光源
とにより構成され、前記光源から出射し前記放物面鏡に
より反射される光を結合光学系を介して出力する光源装
置において、前記光源と前記結合光学系との間に設けら
れ、前記放物面鏡に光を反射する平面鏡を備えたもので
ある。また、放物面鏡の光軸が平面鏡の中心を通ること
を特徴とするものである。また、平面鏡が放物面鏡の焦
点距離の５倍以下の直径を有する円形であることを特徴
とするものである。また、平面鏡が放物面鏡の焦点距離
の５倍以下の直径を有する円に内接する多角形であるこ
とを特徴とするものである。さらに、上記の光源装置に
おいて結合光学系が放物面鏡により反射される光を集光
する第１のレンズ手段と、前記第１のレンズ手段により
集光される光が入射する柱状の光学素子と、前記柱状の
光学素子から出射する光を集光する第２のレンズ手段と
を含むものである。また、上記の光源装置において結合
光学系が１対のレンズアレイを含むものである。また、
本発明による投写型表示装置は、上記の光源装置を含
み、前記光源装置から出力される光により照射されるラ
イトバルブ手段と、前記ライトバルブ手段に形成される
画像を拡大投射する投写レンズ手段とを備えるものであ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施の形態による
光源装置の構成を示す。図１において、５はランプ１と
レンズ３との間に配置された平面鏡である。平面鏡５は
放物面鏡２の軸がその中心を通るように配置されてお
り、ランプ１の所望の発光スペクトル領域に対してほぼ
１００％の反射率を有する。ランプ１から出射し放物面
鏡２で反射された略平行光束のうち、放物面鏡２の光軸
近傍の点ｐにおいて反射された光束高さｈの低い光束Ｌ
ｌは、平面鏡５により反射され、放物面鏡２の点ｐで２
回目の反射をする。点ｐを出射した光Ｌｌ’はさらに放
物面鏡の点ｐ’において３回目の反射をすることによ
り、光束高さｈが相対的に高い光束Ｌｈとなり、レンズ
３により被照明対象領域Ｓに集光される。また、放物面
鏡２で反射して略平行となった光束のうち、光束高さの
高い光束Ｌｈ’は直接レンズ３に入射し被照明対象領域
Ｓに集光される。これにより、光軸から離れた相対的に
倍率ｍ１の低い光束のみが集光されることにより、光利
用効率が向上する。また、レンズ３の焦点距離ｆｃを長
くとることができるので、ランプ１、放物面鏡２、およ
びレンズ３の配置裕度が増加する。

【００２３】ここで、平面鏡５の形状の一例を図２に示
す。図４に示す平面鏡５は直径Ｄの円形の反射面を有す
るものである。この円形の平面鏡５をランプ１とレンズ
３との間に配置し、その直径Ｄを変化させたときの光利
用効率ηをシミュレーションにより算出した。この結果
を図３に示す。光利用効率ηは平面鏡５がない場合、つ
まり直径Ｄが０ｍｍのときの照度をＩｏ、直径Ｄが放物
面鏡２の焦点距離ｆｐのｎ倍のときの照度をＩとし、Ｉ
／Ｉｏにより表した。シミュレーションは、ランプ１の
アーク長を１．３ｍｍ、放物面鏡２の焦点距離ｆｐを
７．５ｍｍ、放物面鏡２の有効径を８２ｍｍ、レンズ３
の焦点距離ｆｃまたその有効径をともに７２ｍｍとし、
集光位置に縦３．８ｍｍ、横６．５ｍｍの入射端面を有
する柱状光学素子を配置した場合について行った。ま
た、柱状光学素子の入射端面においては、入射角度が３
０度以下の照度を計算した。尚、このシミュレーション
はモンテカルロ法に基づいて市販ソフトウェアを用いて
行った。

【００２４】図３に示す結果から分かるように、平面鏡
５の直径Ｄが放物面鏡２の焦点距離ｆｐの２倍に満たな
い場合、平面鏡５に入射する光束が少ないため平面鏡５
の効果はほとんどあらわれない。平面鏡５の直径Ｄが放
物面鏡２の焦点距離ｆｐの２倍から５倍では、平面鏡５
に入射する光束が増加するため相対光利用効率ηが上昇
する。平面鏡５の直径Ｄが放物面鏡２の焦点距離ｆｐの
５倍を越えると放物面鏡２と平面鏡５との間で光の閉じ
込めが発生するため、光損失が急激に増大する。以上の
結果から、円形の平面鏡５において有効な直径Ｄの範囲
は以下のように示される。

【００２５】

【数４】

【００２６】また平面鏡５は、式（４）により表される
直径Ｄを有する円に内接する多角形であってもよい。以
下、本発明による光源装置およびこれを用いた投写型表
示装置の実施例を述べる。 （実施例１）図４は柱状光学素子６を用いた光源装置に
おいてランプ１と第１のレンズ手段４１との間に平面鏡
５を設けたものである。図４に示す光源装置によれば、
柱状光学素子６の入射端面６ａに入射する集光光束のス
ポット径が縮小されることにより入射端面６ａでの光損
失が低減され、光利用効率ηが向上する。また、ランプ
１、放物面鏡２、第１のレンズ手段４１と柱状光学素子
６の配置裕度を増加させることができる。

【００２７】（実施例２）図５はレンズアレイを用いた
光源装置においてランプ１と第１のレンズアレイ１１と
の間に平面鏡５を設けたものである。図５に示す光源装
置によれば、第１のレンズアレイ１１の単位レンズによ
り集光される集光光束のスポット径が縮小することで、
集光光束の第２のレンズアレイ１２における透過率が高
まる。同時にランプ１、放物面鏡２、第１のレンズアレ
イ１１、および第２のレンズアレイ１２の配置裕度が増
加する。

【００２８】（実施例３）図６は本発明の実施の形態に
よる光源装置を用いた投写型表示装置の構成を示す図で
ある。同図に示す投写型表示装置は、図１０に示すＤＭ
Ｄ１３を用いたものと同様の構成を有するものである。
図６に示す投写型表示装置によれば、色フィルター９１
への入射光Ｌ’の入射角度範囲が狭まるので、白色のラ
ンプ出射光に対するスペクトル分解特性が向上し、色再
現性の良い投写映像を得ることができる。また色フィル
ター９１を介して柱状光学素子６に入射する集光光束の
スポット径が縮小することにより柱状光学素子６の入射
端面６ａにおける損失が低減される。これにより低消費
電力においても輝度の高い投写映像を得ることができ
る。

【００２９】尚、本発明の実施例に示した光源装置は、
透過型ＬＣＤ、反射型ＬＣＤ、ＴＭＡ，ＩＬＡ，ＧＬＶ
を用いた投写型表示装置においても有効である。

【００３０】

【発明の効果】本発明の実施の形態による光源装置は、
放物面鏡と、前記放物面鏡の焦点に配置される光源とに
より構成され、前記光源から出射し前記放物面鏡により
反射される光を結合光学系を介して出力する光源装置に
おいて、前記光源と前記結合光学系との間に設けられ、
前記放物面鏡に光を反射する平面鏡を備えることによ
り、光の利用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態による光源装置の構成を
示す図である。

【図２】 平面鏡の形状を示す図である。

【図３】 本発明の実施の形態による光源装置の光利用
効率と平面鏡の直径との関係を示す図である。

【図４】 実施例１の光源装置の構成を示す図である。

【図５】 実施例２の光源装置の構成を示す図である。

【図６】 実施例３の投写型表示装置の構成を示す図で
ある。

【図７】 光源装置の構成を示す図である。

【図８】 光源装置の構成を示す図である。

【図９】 光源装置の構成を示す図である。

【図１０】 投写型表示装置の構成を示す図である。

【図１１】 光源装置の光損失を説明するための説明図
である。

【符号の説明】

１ ランプ，２ 放物面鏡，３ レンズ，４１ 第１の
レンズ手段，４２ 第２のレンズ手段，５ 平面鏡，９
回転色フィルターユニット，９１ 色フィルター，９
２ モータ，１３ＤＭＤ，１４ プリズム，１５ 投写
レンズ，１６ スクリーン。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放物面鏡と、前記放物面鏡の焦点に配置
   される光源とにより構成され、前記光源から出射し前記
   放物面鏡により反射される光を結合光学系を介して出力
   する光源装置において、前記光源と前記結合光学系との
   間に設けられ、前記放物面鏡に光を反射する平面鏡を備
   えたことを特徴とする光源装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光源装置において、放
   物面鏡の光軸が平面鏡の中心を通ることを特徴とする光
   源装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の光源装置にお
   いて、平面鏡が放物面鏡の焦点距離の５倍以下の直径を
   有する円形であることを特徴とする光源装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の光源装
   置において、平面鏡が放物面鏡の焦点距離の５倍以下の
   直径を有する円に内接する多角形であることを特徴とす
   る光源装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の光源装
   置において結合光学系が放物面鏡により反射される光を
   集光する第１のレンズ手段と、前記第１のレンズ手段に
   より集光される光が入射する柱状の光学素子と、前記柱
   状の光学素子から出射する光を集光する第２のレンズ手
   段とを含むことを特徴とする光源装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜４のいずれかに記載の光源装
   置において結合光学系が１対のレンズアレイを含むこと
   を特徴とする光源装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の光源装
   置を含み、前記光源装置から出力される光により照射さ
   れるライトバルブ手段と、前記ライトバルブ手段に形成
   される画像を拡大投射する投写レンズ手段とを備えるこ
   とを特徴とする投写型表示装置。