JP2004070017A - 投写装置の照明光学系構造及び投写装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】投写装置のライトバルブを照明する照明光学系は、通常ハロゲンランプ等の１つの発光源によって、ライトバルブを照明していたが、スクリーンを十分照明するに足る光束を得ることが容易でなかった。またこれらの発光源が発生する光束を高効率で利用し、更に発光源自体を長寿命化できる照明光学系が望まれている。
【解決手段】発光源として、緑、赤、青の単色光を発生する発光ダイオードを用いた第１光源３１，３２，３３と第２光源４１，４２，４３を配置し、これら２系統から出る光束を偏光プリズム５０で合成してライトバルブ５３に照射する。また、これらの各色の発光ダイオードを、必要な時間に必要な色の光束のみが得られるように時分割駆動で発光させる。
【選択図】 図３
【解決手段】発光源として、緑、赤、青の単色光を発生する発光ダイオードを用いた第１光源３１，３２，３３と第２光源４１，４２，４３を配置し、これら２系統から出る光束を偏光プリズム５０で合成してライトバルブ５３に照射する。また、これらの各色の発光ダイオードを、必要な時間に必要な色の光束のみが得られるように時分割駆動で発光させる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリーンに画像を投写する投写装置の構成に関し、特にライトバルブを照明する照明光学系の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、デジタルマイクロミラー素子をライトバルブとして用いた従来提案されている投写装置１００において、ライトバルブを照明する光束を形成する照明光学系部材の配置例を概略的に示す要部構成図である。
【０００３】
同図中、１０１は高圧水銀ランプなどの発光源、１０２は放物面形状をした反射鏡、１０３はコンデンサレンズ、１０４はカラーホイール、１０５はその断面が長方形のガラスロッド、１０６は第１のリレーレンズ、１０７は第２のリレーレンズ、１０８は全反射型プリズム、１０９はデジタルマイクロミラー素子などのライトバルブ、１１０は投写レンズ、１１１はスクリーンである。以上の構成のうち、発光源１０１から第２のリレーレンズ１０７までが照明光学系である。
【０００４】
図８は、図７に示すカラーホイール１０４を矢印Ａ方向からみた正面図であり、同図に示すように、このカラーホイールには、３原色成分の青色、赤色、緑色を個別に透過させる３種類の透過型色フィルタが張られ、回転軸１０４ａを回転中心として所定方向に回転する。
【０００５】
次に、以上のように構成された投写装置１００の動作について説明する。発光源１０１から放射された光は、反射鏡１０２によって反射されると同時に略平行光束化される。そしてコンデンサレンズ１０３によって収束されてカラーホイール１０４を透過した後、ガラスロッド１０５の入射側端面に集光される。
【０００６】
ガラスロッド１０５内に入射した光は、ガラスロッド１０５と空気との界面で反射を繰り返しながら進んで出射端面に到達する。このガラスロッド１０５の長さを適当に選択することにより、ガラスロッド１０５の長方形状の出射端面での照度分布が一様化される。カラーホイール１０４には、３原色成分のうち一成分を透過する色フィルタが張られているので、その回転によって３原色が順次取り出される。ガラスロッド１０５を出た光は、リレーレンズ１０６，１０７を通り、全反射型プリズム１０８内の全反射面で反射され、ライトバルブ１０９をほぼ一様照度で照明する。
【０００７】
ここでライトバルブ１０９として用いるデジタルマイクロミラー素子は、数十ミクロンメータから数ミクロンメータ角の微小可動ミラーが、数十万から数百万個、長方形マトリクス構成で配列されており、各微小可動ミラーの方向が時間軸上で制御されることによって、２次元平面状での画像を形成する。本画像は全反射型プリズム１０８を透過し、投写レンズ１１０によってスクリーン１１１に投写される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような構成による投写装置１００の照明光学系は、構造が簡単であるが、ライトバルブ１０９を照明する発光源が一つであり、スクリーン１１１を十分照明するに足る光束を得ることが困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題点を解消し、十分な光量でライトバルブを照明して、スクリーンを所望の明るさにすることが可能な照明光学系構造を備えた投写装置を提供することにある。更に、単色光を出力する半導体発光素子の利用を可能にし、発光源の効率の向上と、装置の信頼性向上に寄与できる照明光学系構造及び投写装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の投写装置の照明光学系構造は、光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
１又は複数の光源を有し、所定の色の光束を出力する第１の照射光出力手段と、
該第１の照射光出力手段から出力された光束を、１つの方向に偏光した第１偏光光を出力する第１の偏光変換手段と、１又は複数の光源を有し、所定の色の光束を出力する第２の照射光出力手段と、該第２の照射光出力手段から出力された光束を、前記１つの方向と略直交する方向に偏光した第２の偏光光を出力する第２の偏光変換手段と、前記第１の偏光光と前記第２の偏光光とを略同一光軸上に合成した合成光束を出力する偏光合成手段と
を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の投写装置の照明光学系構造は、請求項１記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記第１と第２の照射光出力手段は、それぞれの光源が、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプの何れかのランプであることを特徴とする。
また、請求項３の投写装置の照明光学系構造は、請求項２記載の投写装置の照明光学系構造において、
更に、前記第１と第２の照射光出力手段が、それぞれ前記光源に含まれる３原色成分を互いに同期しながら順次透過させて出力するカラーホイールを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の投写装置の照明光学系構造は、請求項１記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記第１と第２の照射光出力手段が、それぞれ、少なくとも赤、青、緑の光源と、これら各光源から出力される光束を入力し、略同一光軸上で出力する波長合成手段とを有することを特徴とする。
また、請求項５の投写装置の照明光学系構造は、請求項４記載の投写装置の照明光学系構造において、
更に前記第１と第２の照射光出力手段に、それぞれ青緑の光源を追加したことを特徴とする。
【００１３】
請求項６の投写装置の照明光学系構造は、請求項５記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記光源の発光波長の中心値が、青色において４７０±２０ｎｍ、緑色において５３０±２０ｎｍ、青緑色において５００±２０ｎｍの各範囲内にあることを特徴とする。
また、請求項７の投写装置の照明光学系構造は、請求項４乃至６の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記光源が、発光ダイオード及び／又は半導体レーザで構成されていることを特徴とする
【００１４】
請求項８の投写装置の照明光学系構造は、請求項４乃至７の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記波長合成手段が、少なくとも１つの光源から入力した光束を一旦全反射した後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項９の投写装置の照明光学系構造は、請求項４乃至８の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記第１と第２の照射光出力手段のそれぞれの各色の光源を、同期させながら順次発光させるように発光駆動することを特徴とする。
また、請求項１０の投写装置の照明光学系構造は、請求項１乃至９の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記偏光合成手段が、偏光プリズムによって構成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１の投写装置は、
前記合成光束を出力する請求項１乃至１０の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造と、前記合成光束を照射することによって投写画像を形成するライトバルブと、前記投写画像をスクリーンに投写する投写レンズと
を有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態１の投写装置１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００１８】
同図中、１１，２１は高圧水銀ランプなどの発光源、１２，２２は楕円面形状をした楕円反射鏡、１３，２３はカラーホイール、１４，２４はコリメータレンズ、１５，２５は第１レンズアレー、１６，２６は第２レンズアレー、１７，２７はそれぞれ第１レンズアレー１５，２５と、第２レンズアレー１６，２６で構成されるインテグレータ、１８，２８は偏光変換素子、１９，２９は重ね合わせレンズである。更に、５０は偏光合成手段に相当する偏光プリズム、５１はコンデンサレンズ、５２は全反射プリズム、５３はライトバルブ、５４は投写レンズ、そして５５はスクリーンである。
【００１９】
尚、以上の構成において、発光源１１、楕円反射鏡１２、カラーホイール１３、及びコリメータレンズ１４が第１の照射光出力手段に相当し、発光源２１、楕円反射鏡２２、カラーホイール２３、及びコリメータレンズ２４が第２の照射光出力手段に相当し、偏光変換素子１８，２８がそれぞれ第１と第２の第２の偏光変換手段に相当する。
【００２０】
また、以上の構成の投写装置１のうち、全反射プリズム５２、ライトバルブ５３、投写レンズ５４、及びスクリーン５５を除いた光学系が照明光学系に相当する。
【００２１】
次に、以上の構成による本実施の形態１の投写装置１の動作について説明する。まず、発光源１１によって放射された光は、楕円反射鏡１２によって反射され、カラーホイール１３の近傍に集光される。尚、このカラーホイール１３は、前記した図７に示すカラーホイール１０４と全く同じ構成のものである。その後、カラーホイール１３によって３原色成分の内の一つが取り出され、コリメータレンズ１４によって略平行光化される。
【００２２】
この略平行光化された原色光は、第１レンズアレー１５と第２レンズアレー１６とによって構成されるインテグレータ１７を通過する。このインテグレータ１７を通過する過程で、透過光の照度分布は略均一化される。最後に、偏光変換素子１８によって、図１においてその紙面と平行な方向（仮に水平方向とする）の偏光方向に整えられた原色の光束は、重ね合わせレンズ１９を通った後、偏光プリズム５０に入射し、これを透過する。
【００２３】
また、発光源２１によって放射された光は、楕円反射鏡２２によって反射され、カラーホイール２３近傍に集光される。尚、このカラーホイール２３は、前記した図７に示すカラーホイール１０４と全く同じ構成のものである。その後、カラーホイール２３によって３原色成分の内の一つが取り出され、コリメータレンズ２４によって略平行光化される。
【００２４】
この略平行光化された原色光は、第１レンズアレー２５と第２レンズアレー２６とによって構成されるインテグレータ２７を通過する。このインテグレータ２７を通過する過程で、透過光の照度分布は略均一化される。最後に、偏光変換素子２８によって、図１においてその紙面に垂直な方向（仮に垂直方向とする）の偏光方向に整えられた原色の光束は、重ね合わせレンズ２９を通った後、偏光プリズム５０に入射し、これによって反射される。
【００２５】
図２は、偏光プリズム５０の働きを説明するための図で、同図（ａ）は偏光プリズム５０とその入出力光の光路関係を示す外形斜視図であり、同図（ｂ）は偏光プリズム５０の分光特性を示す分光特性グラフである。この分光特性グラフの横軸には入射光の波長をとり、縦軸には偏光プリズム５０の入射光Ｌ１と透過光Ｌ２との比率（Ｌ２／Ｌ１）×１００をとっている。
【００２６】
同図（ａ）において、偏光プリズム５０の入射光Ｌ１として、偏光変換素子１８（図１）によって水平方向に偏光した光（Ｐ偏光）を入射すると、偏光プリズム５０はこのＰ偏光光をほとんど透過する。一方、偏光プリズム５０の入射光Ｌ１として、偏光変換素子２８（図１）によって垂直方向に偏光した光（Ｓ偏光）を入射すると、偏光プリズム５０はこのＳ偏光光をほとんど反射することがわかる。
【００２７】
従って、発光源１１の放射光は、偏光変換素子１８でＰ偏光方向に直線偏光化されているので偏光プリズム５０を透過し、発光源２１の放射光は、偏光変換素子２８でＳ偏光方向に直線偏光化されているので偏光プリズム５０で反射される。従って、両発光源１１，２１からの放射光は偏光プリズム５０で合成されることになる。
【００２８】
一方、２つのカラーホイール１３，２３の各回転角度は、互いに同期するように回転制御される。これにより、カラーホイール１３によって緑色（赤色、青色）が取り出されるときには、カラーホイール２３によって同じ緑色（赤色、青色）が取り出される。従って、２つの発光源１１，２１からの同じ原色の光が偏光プリズム５０で合成され、ライトバルブ５３を照明することになる。即ち、この偏光プリズム５０で合成された合成光束は、コンデンサレンズ５１を通って全反射型プリズム５２に入射し、ライトバルブ５３をほぼ一様照度で照明する。
【００２９】
これによってライトバルブ５３が２次元平面上での投写画像を形成し、形成されたこの投写画像が全反射型プリズム５２を透過し、投写レンズ５４によってスクリーン５５に投写されるのは、前記した図７に示す従来の投写装置１００と同じである。
【００３０】
尚、上記した重ね合わせレンズ１９，２９の働きは、それぞれが第２レンズアレー１６，２９の各上に形成される複数の２次発光源から放射される光束の主光線をライトバルブ５３に向けることにある。また、コンデンサレンズ５１の働きは、ライトバルブ５３を照明する光束の主光線をライトバルブに垂直に入射させることにある。
【００３１】
以上のように実施の形態１の投写装置によれば、ライトバルブ５３は２つの発光源によって照明されることになり、これによって、スクリーン５５上の光束は発光源１つの場合に比べて最大２倍に増加される。実際には、第２レンズアレー１６，２６上に形成される２次発光源像の大きさが、各レンズアレー素子の有効開口からはみ出すため、数１０％の損失が発生するが、発光源１つの場合に比べ、スクリーン５５に到達する光束を明らかに増大できる。
【００３２】
実施の形態２．
図３は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態２の投写装置２の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００３３】
この投写装置２が、図１に示す前記した実施の形態１の投写装置１と主に異なる点は、図１に示す発光源１１，２１、反射鏡１２，２２、カラーホイール１３，２３、コリメータレンズ１４，２４に換え、図３に示すように、第１と第２の緑色光源３１，４１、第１と第２の赤色光源３２，４２、第１と第２の青色光源３３，４３、及び第１と第２の波長合成器３４，４４を採用した点である。従って、本実施の形態２の投写装置２が実施の形態１の投写装置１と共通する部分には同符号を付してその説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００３４】
図３において、３１は、緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第１の緑色光源、３２は、同様に赤色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第１の赤色光源、３３は、同様に青色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第１の青色光源である。
【００３５】
また、４１は、緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第２の緑色光源、４２は、同様に赤色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第２の赤色光源、４３は、同様に青色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第２の青色光源である。
【００３６】
そして、３４は３つの光源３１，３２，３３からの光束を略同一光軸上で出力する第１の波長合成器であり、４４は同じく３つの光源４１，４２，４３からの光束を略同一光軸上で出力する第２の波長合成器である。
【００３７】
以上の構成において、第１の緑色光源３１、第１の赤色光源３２、第１の青色光源３３、及び第１の波長合成器３４が第１の照射光出力手段に相当し、第２の緑色光源４１、第２の赤色光源４２、第２の青色光源４３、及び第２の波長合成器４４が第２の照射光出力手段に相当し、更に第１の波長合成器３４或いは第２の波長合成器４４がそれぞれ波長合成手段に相当する。
【００３８】
次に、本実施の形態の投写装置２の動作について説明する。
【００３９】
図４は、図３に示された波長合成器３４，４４の働きを説明するための図で、同図（ａ）は、第１の波長合成器３４とその入出力光の光路関係を示す断面図であり、同図（ｂ）は波長合成器３４の色合成特性を示す色合成特性グラフである。この色合成特性グラフの横軸には入射光の波長をとり、縦軸には波長合成器３４の反射率をとっている。尚、第１の波長合成器３４と第２の波長合成器４４とは、全く同じ構成をしているため、第１の波長合成器３４を例にとってその構成を説明する。
【００４０】
波長合成器３４は、３個の３角プリズム３４ａ，３４ｂ，３４ｃから構成されており、各３角プリズムが接合される２つの接合面３４ｆ，３４ｇに誘電体多層膜が形成されている。またこの波長合成器３４においては、三角プリズム３４ａと３４ｂとの間には接着層を介して誘電体多層膜が形成されている。更に、３角プリズム３４ｂと３４ｃとの間には、空隙を介して誘電体多層膜が３角プリズム３４ｃの表面上に形成されている。
【００４１】
図４（ｂ）の色合成特性グラフにおいて、測定曲線３８は、誘電体多層膜が形成された接合面３４ｆの光反射特性（Ｓ，Ｐ偏光ともほぼ同じ特性である）を示し、この特性からこの接合面３４ｆでは、赤色の光が反射されることが理解できる。一方測定曲線３９（Ｓ，Ｐ偏光ともほぼ同じ特性である）は、誘電体多層膜が形成された接合面３４ｇの光反射特性を示し、この特性からこの接合面３４ｇでは、青色の光が反射されることが理解できる。更に、これらの特性から、各接合面３４ｆ，３４ｇでは、波長が５００〜５５０ｎｍ辺りの緑系の光を共に透過することが理解される。
【００４２】
従って、図４（ａ）に示すように、３角プリズム３４ｂの下方から入射する赤色の光束は、先ず３角プリズム３４ｂの右側の界面に達するが、入射角が大きいために全反射され、３角プリズム３４ａと３４ｂとの接合面３４ｆに達する。この接合面３４ｆには、前記したように赤色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、赤色の光束は反射され、再び３角プリズム３４ｂと空隙の界面に達する。
【００４３】
このとき入射角が小さいため、赤色の光束はここを通過して３角プリズム３４ｃに向かう。３角プリズム３４ｂと３４ｃとが、空隙を介して接合される接合面３４ｇに形成された誘電体多層膜は赤色の波長領域の光は透過するので、上記赤色光束は３角プリズム３４ｃを通って外部（図４（ａ）では右方向）に取り出される
【００４４】
また、図４（ａ）に示すように、３角プリズム３４ｃの上方から入射する青色の光束は、先ず３角プリズム３４ｃの界面に達するが、入射角が大きいために全反射され、３角プリズム３４ｃと３４ｂとの接合面３４ｇに達する。この接合面３４ｇには青色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、青色の光束は反射され、３角プリズム３４ｃを通り、外部（図４（ａ）では右方向）に取り出される。
【００４５】
更に、図４（ａ）に示すように、３角プリズム３４ａの左方向から入射する緑色の光束は、まず、３角プリズム３４ａと３４ｂの接合面３４ｆに達するが、前記したようにこの接合面３４ｆには、緑色より波長が長い赤色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、緑色の光束はここを透過して３角プリズム３４ｂ内に入射して３角プリズム３４ｃに向かう。更に３角プリズム３４ｂと３４ｃの接合面３４ｇには緑色より波長が短い青色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、緑の光束はこの誘電体多層膜を透過して３角プリズム３４ｃを通り、外部（図４（ａ）では右方向）に取り出される。
【００４６】
以上のようにして、３つの第１の各光源３１，３２，３３からの光束は、第１の波長合成器３４によって同一光軸上で出力され、第１レンズアレー１５に入射する。同様にして、３つの第２の各光源４１，４２，４３からの光束は、第２の波長合成器４４によって同一光軸上で出力され、第１レンズアレー２５に入射する。
【００４７】
以後の光束の伝播は、前記した実施の形態１で説明した通りであるため、ここでの説明を省略する。
【００４８】
実施の形態１では、カラーホイール１３，２３（図１）を用いてライトバルブ５３に照射する３原色を選択したが、本実施の形態２では、３原色をそれぞれ放射する発光ダイオードを順次選択点灯することによって３原色を選択する。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）は、繰り返し行われる順次選択点灯の１フレームにおける３原色選択シーケンスの例を２例示したタイムチャートである。
【００５０】
同図（ａ）では、１フレーム内で青色、緑色、赤色という順で各色１回ずつ発光ダイオードの点灯を行っている。１フレーム内での各色の点灯時間デューティ、及び点灯時の発光出力は、各色の光束の大きさと白色バランスによって決まる。一方、同図（ｂ）では、１フレーム内で青色、緑色、赤色という順で各色２回ずつ発光ダイオードの点灯を行っている。
【００５１】
これらのタイムチャートに従って、第１の光源３１〜３３と第２の光源４１〜４３の各色の発光ダイオードの内、同色の発光ダイオードを、同期させながら順次点灯することによって、第１と第２の、２つの系統の発光源から出力される同じ原色の光が、偏光プリズム５０で合成され、ライトバルブ５３を照明することになる。
【００５２】
以上のように実施の形態２の投写装置によれば、各光源の発光ダイオードが、それ自身からの光束が必要な時間のみ点灯するので、常時点灯するハロゲンランプなどに比べて発生する光束をより効率的に利用できる。
【００５３】
また、波長合成器３４、４４では、赤色光束と青色光束を一旦全反射させて、各誘電体多層膜で反射させる構成としている。これにより、赤色光束と青色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０°程度に小さくできるので、誘電体多層膜への入射角が４５°の場合に比べ、分光特性の偏光方向の依存を極めて小さくすることができる。更に、波長の分離特性がよりシャープに、例えば、波長分離間隔を約２０ｎｍにできるので、各色の発光ダイオードの発振波長拡がりがある場合にも波長拡がりによる重なりが少なくなり、光源の発生光束の損失を少なくできる。
【００５４】
実施の形態３．
図６は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態３の投写装置３の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００５５】
この投写装置３が、図３に示す前記した実施の形態２の投写装置２と主に異なる点は、更に第１と第２の青緑色光源３６，４６と、これに伴う第３と第４の波長合成器３７，４７が追加された点である。従って、本実施の形態３の投写装置３が実施の形態２の投写装置２と共通する部分には同符号を付してその説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００５６】
図６において、３６は、青緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成されている第１の青緑色光源、また４６は、同様に青緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成されている第２の青緑色光線である。
【００５７】
また、３７は、緑色を透過し、且つ青緑色を反射する接合面３７ａを有し、第１の緑色光源３１と第１の青緑光源３６からの光束を略同一光軸上で出力する第３の波長合成器であり、４７は同様にして第２緑色光源４１と第２青緑光源４６からの光束を略同一光軸上で出力する第４の波長合成器である。
【００５８】
以上の構成において、第１の緑色光源３１、第１の赤色光源３２、第１の青色光源３３、第１の青緑色光源３６、第１の波長合成器３４、及び第３の波長合成器３７が第１の照射光出力手段に相当し、第２の緑色光源４１、第２の赤色光源４２、第２の青色光源４３、第２の青緑色光源４６、第２の波長合成器４４、及び第４の波長合成器４７が第２の照射光出力手段に相当し、更に第１の波長合成器３４及び第３の波長合成器３７、或いは第２の波長合成器４４及び第４の波長合成器４７がそれぞれ波長合成手段に相当する。
【００５９】
次に、以上の構成が追加された本実施の形態３の投写装置３の動作について説明する。尚、第１の青緑色光線３６と第２の青緑色光線４６、及び第３の波長合成器３７と第４の波長合成器４７とは、それぞれ全く同じ構成をしているため、第１の青緑色光線３６及び第３の波長合成器３７を例にとってその動作を説明する。
【００６０】
波長合成器３７は、２個の３角プリズムで構成されており、２つの３角プリズムが接合される接合面３７ａに多層誘電体膜が形成されている。波長合成器３７の左方向から入射する緑色の光束は、まず、２つの３角プリズムの接合面３７ａに達するが、この接合面には緑色の波長領域の光を透過する誘電体多層膜が形成されているので、緑色の光束はこの誘電体多層膜を透過し、波長合成器３７を右に透過する。
【００６１】
一方、前記の誘電体多層膜は、青緑色の波長領域の光は反射する特性を有する。このため、波長合成器３７に左上から入射した青緑色の光束は、全反射後、接合面３７ａに形成された誘電体多層膜で反射されて波長合成器３７から外部（図６では右方向）に取り出される。従って、第１の緑色光源３１及び第１の青緑色光源３６からの光束は、第３の波長合成器３７によって同一光軸上で出力され、次の第１の波長合成器３４に向かい、これを透過する。同様にして、第２の緑色光源４１及び第２の青緑色光源４６からの光束は、第４の波長合成器４７によって同一光軸上で出力され、次の第２の波長合成器４４に向かい、これを透過する。
【００６２】
以後の光束の伝播は、前記した実施の形態１で説明した通りであるため、ここでの説明を省略する。また、本実施の形態３の投写装置では、前記した実施の形態２の投写装置２と同様に、各色をそれぞれ放射する発光ダイオードを順次選択点灯することによって各色を選択するものであるが、ここではその方法についての説明も省略する。
【００６３】
以上のように、実施の形態３の投写装置によれば、実施の形態２と同様に、各光源の発光ダイオードが、それ自身からの光束が必要な時間のみ点灯するので、常時点灯するハロゲンランプなどに比べ、発生する光束をより効率的に利用できる。
【００６４】
また、波長合成器３４、４４及び３７、４７では、赤色光束、青色光束、青緑色光束を一旦全反射させて、誘電体多層膜で反射させる構成としている。これにより、赤色光束、青色光束、青緑色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０度程度に小さくできるので、前記した実施の形態２と同様の効果を得ることができる。従って、緑色、青緑色、青色の光束の中心波長の間隔を小さく、例えば、緑色の中心波長を５３０±２０ｎｍ、青緑色の中心波長を５００±２０ｎｍ、青色の中心波長を４７０±２０ｎｍとして、不足がちである緑色光束成分を増大できる。更に、４つの単色光成分を合成するので、加法混色の原理から色再現域を広くできる。
【００６５】
尚、前記実施の形態３では、４色の光源を備えた場合を示したが、これに限定されるものではなく、光源を５色以上に増加させて、色再現域の増加や投写光束の増大を促進させるようにしてもよいなど種々の態様を取り得るものである。
【００６６】
また、前記した実施の形態１では、発光源として高圧水銀ランプを想定して説明したが、これに限定されるものではなく、他にハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを用いてもよい。
【００６７】
また、前記した実施の形態２，３では、発光源として発光ダイオードを想定して説明したが、これに限定されるものではなく、他に半導体レーザをもちいてもよいなど、種々の態様を取り得るものである。
【００６８】
また、前記した実施の形態の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、照明光学系構造を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の照明光学系構造によれば、２つ照射光出力手段から各々出力される光束を合成してライトバルブを照明するので、１つの場合にくらべてこの照明光の絞り込み角度を大きくすることなく、充分なスクリーンへの投写光束を得ることができる。
【００７０】
請求項２，３の照明光学系構造によれば、請求項１の効果に加え、各照射光出力手段の発光源として、比較的入手が容易なハロゲンランプなどのランプを１つ使用する構成とすることができるので、照明光学系を比較的簡単な構成とすることができ、更にメンテナンスも容易となる。
【００７１】
請求項４の照明光学系構造によれば、赤、青、緑等の単色光を出力する光源を組み合わせることができるため、各光源として発光ダイオードなどの半導体発光素子を採用することができ、装置の省エネ化或いは長寿命化に貢献することができる。
【００７２】
請求項５、６の照明光学系構造によれば、請求項４の効果に加え、不足がちである緑色光束成分が増大できる。更に、少なくとも４つの単色光成分を合成するので、加法混色の原理から色再現域を広くできる。
【００７３】
請求項７、９の照明光学系構造によれば、各色の光源として発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を採用し、更にこれらを、必要な時間に必要な色の光束のみが得られるように発光駆動するため、発光源の効率を上げると共に、照明光学系の信頼性を高めることができる。
【００７４】
請求項８の照明光学系構造によれば、赤色光束と青色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０度程度に小さくできるので、誘電体多層膜への入射角が４５度の場合に比べ、分光特性の偏光方向の依存を極めて小さくすることができる。更に、波長の分離特性がよりシャープに、例えば、波長分離間隔を約２０ｎｍにできるので、各色の発光ダイオードの発振波長拡がりがある場合にも波長拡がりによる重なりが少なくなり、光源の発生光束の損失を少なくできる。
【００７５】
請求項１０の照明光学系構造によれば、偏光合成手段として偏光プリズムを使用するので、照明光学系を容易に構成することができる。
【００７６】
請求項１１の投写装置によれば、十分な光量でライトバルブを照明して、スクリーンに所望の明るさの映像を投写することが可能な投写装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態１の投写装置１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図２】偏光プリズム５０の働きを説明するための図で、（ａ）は偏光プリズム５０とその入出力光の光路関係を示す外形斜視図であり、（ｂ）は偏光プリズム５０の分光特性を示す分光特性グラフである。
【図３】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態２の投写装置２の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図４】波長合成器３４，４４の働きを説明するための図で、（ａ）は第１の波長合成器３４とその入出力光の光路関係を示す断面図であり、（ｂ）はその色合成特性を示す色合成特性グラフである。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、繰り返し行われる順次選択点灯の１フレームにおける３原色選択シーケンスの例を２例示したタイムチャートである。
【図６】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態３の投写装置３の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図７】ライトバルブを照明する光束を形成する照明光学系部材の、従来の配置例を概略的に示す要部構成図である。
【図８】図７に示すカラーホイール１０４を矢印Ａ方向からみた正面図であり。
【符号の説明】
１ 投写装置、 ２ 投写装置、 ３ 投写装置、 １１，２１ 発光源、 １２，２２ 楕円反射鏡、 １３，２３ カラーホイール、 １４，２４ コリメータレンズ、 １５，２５ 第１レンズアレー、 １６，２６ 第２レンズアレー、 １７，２７ インテグレータ、 １８，２８ 偏光変換素子、 １９，２９ 重ね合わせレンズ、 ３１ 第１の緑色光源、 ３２ 第１の赤色光源、３３ 第１の青色光源、 ３４ 第１の波長合成器、 ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ ３角プリズム、 ３４ｆ，３４ｇ 接合面、 ３６ 第１の青緑色光源、 ３７ 第３の波長合成器、 ３７ａ 接合面、 ３８，３９ 測定曲線、 ４１第２の緑色光源、 ４２ 第２の赤色光源、 ４３ 第２の青色光源、 ４４第２の波長合成器、 ４６ 第２の青緑色、 ４７ 第４の波長合成手段、 ４７ａ 接合面、 ５０ 偏光プリズム、 ５１ コンデンサレンズ、 ５２ 全反射プリズム、 ５３ ライトバルブ、 ５４ 投写レンズ、 ５５ スクリーン、 １００ 投写装置、 １０１ 発光源、 １０２ 反射鏡、 １０３ コンデンサレンズ、 １０４ カラーホイール、 １０４ａ 回転軸、 １０５ガラスロッド、 １０６ 第１のリレーレンズ、 １０７ 第２のリレーレンズ、 １０８ 全反射型プリズム、 １０９ ライトバルブ、 １１０ 投写レンズ、 １１１ スクリーン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリーンに画像を投写する投写装置の構成に関し、特にライトバルブを照明する照明光学系の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、デジタルマイクロミラー素子をライトバルブとして用いた従来提案されている投写装置１００において、ライトバルブを照明する光束を形成する照明光学系部材の配置例を概略的に示す要部構成図である。
【０００３】
同図中、１０１は高圧水銀ランプなどの発光源、１０２は放物面形状をした反射鏡、１０３はコンデンサレンズ、１０４はカラーホイール、１０５はその断面が長方形のガラスロッド、１０６は第１のリレーレンズ、１０７は第２のリレーレンズ、１０８は全反射型プリズム、１０９はデジタルマイクロミラー素子などのライトバルブ、１１０は投写レンズ、１１１はスクリーンである。以上の構成のうち、発光源１０１から第２のリレーレンズ１０７までが照明光学系である。
【０００４】
図８は、図７に示すカラーホイール１０４を矢印Ａ方向からみた正面図であり、同図に示すように、このカラーホイールには、３原色成分の青色、赤色、緑色を個別に透過させる３種類の透過型色フィルタが張られ、回転軸１０４ａを回転中心として所定方向に回転する。
【０００５】
次に、以上のように構成された投写装置１００の動作について説明する。発光源１０１から放射された光は、反射鏡１０２によって反射されると同時に略平行光束化される。そしてコンデンサレンズ１０３によって収束されてカラーホイール１０４を透過した後、ガラスロッド１０５の入射側端面に集光される。
【０００６】
ガラスロッド１０５内に入射した光は、ガラスロッド１０５と空気との界面で反射を繰り返しながら進んで出射端面に到達する。このガラスロッド１０５の長さを適当に選択することにより、ガラスロッド１０５の長方形状の出射端面での照度分布が一様化される。カラーホイール１０４には、３原色成分のうち一成分を透過する色フィルタが張られているので、その回転によって３原色が順次取り出される。ガラスロッド１０５を出た光は、リレーレンズ１０６，１０７を通り、全反射型プリズム１０８内の全反射面で反射され、ライトバルブ１０９をほぼ一様照度で照明する。
【０００７】
ここでライトバルブ１０９として用いるデジタルマイクロミラー素子は、数十ミクロンメータから数ミクロンメータ角の微小可動ミラーが、数十万から数百万個、長方形マトリクス構成で配列されており、各微小可動ミラーの方向が時間軸上で制御されることによって、２次元平面状での画像を形成する。本画像は全反射型プリズム１０８を透過し、投写レンズ１１０によってスクリーン１１１に投写される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような構成による投写装置１００の照明光学系は、構造が簡単であるが、ライトバルブ１０９を照明する発光源が一つであり、スクリーン１１１を十分照明するに足る光束を得ることが困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記した問題点を解消し、十分な光量でライトバルブを照明して、スクリーンを所望の明るさにすることが可能な照明光学系構造を備えた投写装置を提供することにある。更に、単色光を出力する半導体発光素子の利用を可能にし、発光源の効率の向上と、装置の信頼性向上に寄与できる照明光学系構造及び投写装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の投写装置の照明光学系構造は、光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
１又は複数の光源を有し、所定の色の光束を出力する第１の照射光出力手段と、
該第１の照射光出力手段から出力された光束を、１つの方向に偏光した第１偏光光を出力する第１の偏光変換手段と、１又は複数の光源を有し、所定の色の光束を出力する第２の照射光出力手段と、該第２の照射光出力手段から出力された光束を、前記１つの方向と略直交する方向に偏光した第２の偏光光を出力する第２の偏光変換手段と、前記第１の偏光光と前記第２の偏光光とを略同一光軸上に合成した合成光束を出力する偏光合成手段と
を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の投写装置の照明光学系構造は、請求項１記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記第１と第２の照射光出力手段は、それぞれの光源が、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプの何れかのランプであることを特徴とする。
また、請求項３の投写装置の照明光学系構造は、請求項２記載の投写装置の照明光学系構造において、
更に、前記第１と第２の照射光出力手段が、それぞれ前記光源に含まれる３原色成分を互いに同期しながら順次透過させて出力するカラーホイールを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の投写装置の照明光学系構造は、請求項１記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記第１と第２の照射光出力手段が、それぞれ、少なくとも赤、青、緑の光源と、これら各光源から出力される光束を入力し、略同一光軸上で出力する波長合成手段とを有することを特徴とする。
また、請求項５の投写装置の照明光学系構造は、請求項４記載の投写装置の照明光学系構造において、
更に前記第１と第２の照射光出力手段に、それぞれ青緑の光源を追加したことを特徴とする。
【００１３】
請求項６の投写装置の照明光学系構造は、請求項５記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記光源の発光波長の中心値が、青色において４７０±２０ｎｍ、緑色において５３０±２０ｎｍ、青緑色において５００±２０ｎｍの各範囲内にあることを特徴とする。
また、請求項７の投写装置の照明光学系構造は、請求項４乃至６の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記光源が、発光ダイオード及び／又は半導体レーザで構成されていることを特徴とする
【００１４】
請求項８の投写装置の照明光学系構造は、請求項４乃至７の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記波長合成手段が、少なくとも１つの光源から入力した光束を一旦全反射した後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項９の投写装置の照明光学系構造は、請求項４乃至８の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記第１と第２の照射光出力手段のそれぞれの各色の光源を、同期させながら順次発光させるように発光駆動することを特徴とする。
また、請求項１０の投写装置の照明光学系構造は、請求項１乃至９の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造において、
前記偏光合成手段が、偏光プリズムによって構成されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１の投写装置は、
前記合成光束を出力する請求項１乃至１０の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造と、前記合成光束を照射することによって投写画像を形成するライトバルブと、前記投写画像をスクリーンに投写する投写レンズと
を有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態１の投写装置１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００１８】
同図中、１１，２１は高圧水銀ランプなどの発光源、１２，２２は楕円面形状をした楕円反射鏡、１３，２３はカラーホイール、１４，２４はコリメータレンズ、１５，２５は第１レンズアレー、１６，２６は第２レンズアレー、１７，２７はそれぞれ第１レンズアレー１５，２５と、第２レンズアレー１６，２６で構成されるインテグレータ、１８，２８は偏光変換素子、１９，２９は重ね合わせレンズである。更に、５０は偏光合成手段に相当する偏光プリズム、５１はコンデンサレンズ、５２は全反射プリズム、５３はライトバルブ、５４は投写レンズ、そして５５はスクリーンである。
【００１９】
尚、以上の構成において、発光源１１、楕円反射鏡１２、カラーホイール１３、及びコリメータレンズ１４が第１の照射光出力手段に相当し、発光源２１、楕円反射鏡２２、カラーホイール２３、及びコリメータレンズ２４が第２の照射光出力手段に相当し、偏光変換素子１８，２８がそれぞれ第１と第２の第２の偏光変換手段に相当する。
【００２０】
また、以上の構成の投写装置１のうち、全反射プリズム５２、ライトバルブ５３、投写レンズ５４、及びスクリーン５５を除いた光学系が照明光学系に相当する。
【００２１】
次に、以上の構成による本実施の形態１の投写装置１の動作について説明する。まず、発光源１１によって放射された光は、楕円反射鏡１２によって反射され、カラーホイール１３の近傍に集光される。尚、このカラーホイール１３は、前記した図７に示すカラーホイール１０４と全く同じ構成のものである。その後、カラーホイール１３によって３原色成分の内の一つが取り出され、コリメータレンズ１４によって略平行光化される。
【００２２】
この略平行光化された原色光は、第１レンズアレー１５と第２レンズアレー１６とによって構成されるインテグレータ１７を通過する。このインテグレータ１７を通過する過程で、透過光の照度分布は略均一化される。最後に、偏光変換素子１８によって、図１においてその紙面と平行な方向（仮に水平方向とする）の偏光方向に整えられた原色の光束は、重ね合わせレンズ１９を通った後、偏光プリズム５０に入射し、これを透過する。
【００２３】
また、発光源２１によって放射された光は、楕円反射鏡２２によって反射され、カラーホイール２３近傍に集光される。尚、このカラーホイール２３は、前記した図７に示すカラーホイール１０４と全く同じ構成のものである。その後、カラーホイール２３によって３原色成分の内の一つが取り出され、コリメータレンズ２４によって略平行光化される。
【００２４】
この略平行光化された原色光は、第１レンズアレー２５と第２レンズアレー２６とによって構成されるインテグレータ２７を通過する。このインテグレータ２７を通過する過程で、透過光の照度分布は略均一化される。最後に、偏光変換素子２８によって、図１においてその紙面に垂直な方向（仮に垂直方向とする）の偏光方向に整えられた原色の光束は、重ね合わせレンズ２９を通った後、偏光プリズム５０に入射し、これによって反射される。
【００２５】
図２は、偏光プリズム５０の働きを説明するための図で、同図（ａ）は偏光プリズム５０とその入出力光の光路関係を示す外形斜視図であり、同図（ｂ）は偏光プリズム５０の分光特性を示す分光特性グラフである。この分光特性グラフの横軸には入射光の波長をとり、縦軸には偏光プリズム５０の入射光Ｌ１と透過光Ｌ２との比率（Ｌ２／Ｌ１）×１００をとっている。
【００２６】
同図（ａ）において、偏光プリズム５０の入射光Ｌ１として、偏光変換素子１８（図１）によって水平方向に偏光した光（Ｐ偏光）を入射すると、偏光プリズム５０はこのＰ偏光光をほとんど透過する。一方、偏光プリズム５０の入射光Ｌ１として、偏光変換素子２８（図１）によって垂直方向に偏光した光（Ｓ偏光）を入射すると、偏光プリズム５０はこのＳ偏光光をほとんど反射することがわかる。
【００２７】
従って、発光源１１の放射光は、偏光変換素子１８でＰ偏光方向に直線偏光化されているので偏光プリズム５０を透過し、発光源２１の放射光は、偏光変換素子２８でＳ偏光方向に直線偏光化されているので偏光プリズム５０で反射される。従って、両発光源１１，２１からの放射光は偏光プリズム５０で合成されることになる。
【００２８】
一方、２つのカラーホイール１３，２３の各回転角度は、互いに同期するように回転制御される。これにより、カラーホイール１３によって緑色（赤色、青色）が取り出されるときには、カラーホイール２３によって同じ緑色（赤色、青色）が取り出される。従って、２つの発光源１１，２１からの同じ原色の光が偏光プリズム５０で合成され、ライトバルブ５３を照明することになる。即ち、この偏光プリズム５０で合成された合成光束は、コンデンサレンズ５１を通って全反射型プリズム５２に入射し、ライトバルブ５３をほぼ一様照度で照明する。
【００２９】
これによってライトバルブ５３が２次元平面上での投写画像を形成し、形成されたこの投写画像が全反射型プリズム５２を透過し、投写レンズ５４によってスクリーン５５に投写されるのは、前記した図７に示す従来の投写装置１００と同じである。
【００３０】
尚、上記した重ね合わせレンズ１９，２９の働きは、それぞれが第２レンズアレー１６，２９の各上に形成される複数の２次発光源から放射される光束の主光線をライトバルブ５３に向けることにある。また、コンデンサレンズ５１の働きは、ライトバルブ５３を照明する光束の主光線をライトバルブに垂直に入射させることにある。
【００３１】
以上のように実施の形態１の投写装置によれば、ライトバルブ５３は２つの発光源によって照明されることになり、これによって、スクリーン５５上の光束は発光源１つの場合に比べて最大２倍に増加される。実際には、第２レンズアレー１６，２６上に形成される２次発光源像の大きさが、各レンズアレー素子の有効開口からはみ出すため、数１０％の損失が発生するが、発光源１つの場合に比べ、スクリーン５５に到達する光束を明らかに増大できる。
【００３２】
実施の形態２．
図３は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態２の投写装置２の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００３３】
この投写装置２が、図１に示す前記した実施の形態１の投写装置１と主に異なる点は、図１に示す発光源１１，２１、反射鏡１２，２２、カラーホイール１３，２３、コリメータレンズ１４，２４に換え、図３に示すように、第１と第２の緑色光源３１，４１、第１と第２の赤色光源３２，４２、第１と第２の青色光源３３，４３、及び第１と第２の波長合成器３４，４４を採用した点である。従って、本実施の形態２の投写装置２が実施の形態１の投写装置１と共通する部分には同符号を付してその説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００３４】
図３において、３１は、緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第１の緑色光源、３２は、同様に赤色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第１の赤色光源、３３は、同様に青色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第１の青色光源である。
【００３５】
また、４１は、緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第２の緑色光源、４２は、同様に赤色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第２の赤色光源、４３は、同様に青色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成される第２の青色光源である。
【００３６】
そして、３４は３つの光源３１，３２，３３からの光束を略同一光軸上で出力する第１の波長合成器であり、４４は同じく３つの光源４１，４２，４３からの光束を略同一光軸上で出力する第２の波長合成器である。
【００３７】
以上の構成において、第１の緑色光源３１、第１の赤色光源３２、第１の青色光源３３、及び第１の波長合成器３４が第１の照射光出力手段に相当し、第２の緑色光源４１、第２の赤色光源４２、第２の青色光源４３、及び第２の波長合成器４４が第２の照射光出力手段に相当し、更に第１の波長合成器３４或いは第２の波長合成器４４がそれぞれ波長合成手段に相当する。
【００３８】
次に、本実施の形態の投写装置２の動作について説明する。
【００３９】
図４は、図３に示された波長合成器３４，４４の働きを説明するための図で、同図（ａ）は、第１の波長合成器３４とその入出力光の光路関係を示す断面図であり、同図（ｂ）は波長合成器３４の色合成特性を示す色合成特性グラフである。この色合成特性グラフの横軸には入射光の波長をとり、縦軸には波長合成器３４の反射率をとっている。尚、第１の波長合成器３４と第２の波長合成器４４とは、全く同じ構成をしているため、第１の波長合成器３４を例にとってその構成を説明する。
【００４０】
波長合成器３４は、３個の３角プリズム３４ａ，３４ｂ，３４ｃから構成されており、各３角プリズムが接合される２つの接合面３４ｆ，３４ｇに誘電体多層膜が形成されている。またこの波長合成器３４においては、三角プリズム３４ａと３４ｂとの間には接着層を介して誘電体多層膜が形成されている。更に、３角プリズム３４ｂと３４ｃとの間には、空隙を介して誘電体多層膜が３角プリズム３４ｃの表面上に形成されている。
【００４１】
図４（ｂ）の色合成特性グラフにおいて、測定曲線３８は、誘電体多層膜が形成された接合面３４ｆの光反射特性（Ｓ，Ｐ偏光ともほぼ同じ特性である）を示し、この特性からこの接合面３４ｆでは、赤色の光が反射されることが理解できる。一方測定曲線３９（Ｓ，Ｐ偏光ともほぼ同じ特性である）は、誘電体多層膜が形成された接合面３４ｇの光反射特性を示し、この特性からこの接合面３４ｇでは、青色の光が反射されることが理解できる。更に、これらの特性から、各接合面３４ｆ，３４ｇでは、波長が５００〜５５０ｎｍ辺りの緑系の光を共に透過することが理解される。
【００４２】
従って、図４（ａ）に示すように、３角プリズム３４ｂの下方から入射する赤色の光束は、先ず３角プリズム３４ｂの右側の界面に達するが、入射角が大きいために全反射され、３角プリズム３４ａと３４ｂとの接合面３４ｆに達する。この接合面３４ｆには、前記したように赤色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、赤色の光束は反射され、再び３角プリズム３４ｂと空隙の界面に達する。
【００４３】
このとき入射角が小さいため、赤色の光束はここを通過して３角プリズム３４ｃに向かう。３角プリズム３４ｂと３４ｃとが、空隙を介して接合される接合面３４ｇに形成された誘電体多層膜は赤色の波長領域の光は透過するので、上記赤色光束は３角プリズム３４ｃを通って外部（図４（ａ）では右方向）に取り出される
【００４４】
また、図４（ａ）に示すように、３角プリズム３４ｃの上方から入射する青色の光束は、先ず３角プリズム３４ｃの界面に達するが、入射角が大きいために全反射され、３角プリズム３４ｃと３４ｂとの接合面３４ｇに達する。この接合面３４ｇには青色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、青色の光束は反射され、３角プリズム３４ｃを通り、外部（図４（ａ）では右方向）に取り出される。
【００４５】
更に、図４（ａ）に示すように、３角プリズム３４ａの左方向から入射する緑色の光束は、まず、３角プリズム３４ａと３４ｂの接合面３４ｆに達するが、前記したようにこの接合面３４ｆには、緑色より波長が長い赤色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、緑色の光束はここを透過して３角プリズム３４ｂ内に入射して３角プリズム３４ｃに向かう。更に３角プリズム３４ｂと３４ｃの接合面３４ｇには緑色より波長が短い青色の波長領域を反射する誘電体多層膜が形成されているので、緑の光束はこの誘電体多層膜を透過して３角プリズム３４ｃを通り、外部（図４（ａ）では右方向）に取り出される。
【００４６】
以上のようにして、３つの第１の各光源３１，３２，３３からの光束は、第１の波長合成器３４によって同一光軸上で出力され、第１レンズアレー１５に入射する。同様にして、３つの第２の各光源４１，４２，４３からの光束は、第２の波長合成器４４によって同一光軸上で出力され、第１レンズアレー２５に入射する。
【００４７】
以後の光束の伝播は、前記した実施の形態１で説明した通りであるため、ここでの説明を省略する。
【００４８】
実施の形態１では、カラーホイール１３，２３（図１）を用いてライトバルブ５３に照射する３原色を選択したが、本実施の形態２では、３原色をそれぞれ放射する発光ダイオードを順次選択点灯することによって３原色を選択する。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）は、繰り返し行われる順次選択点灯の１フレームにおける３原色選択シーケンスの例を２例示したタイムチャートである。
【００５０】
同図（ａ）では、１フレーム内で青色、緑色、赤色という順で各色１回ずつ発光ダイオードの点灯を行っている。１フレーム内での各色の点灯時間デューティ、及び点灯時の発光出力は、各色の光束の大きさと白色バランスによって決まる。一方、同図（ｂ）では、１フレーム内で青色、緑色、赤色という順で各色２回ずつ発光ダイオードの点灯を行っている。
【００５１】
これらのタイムチャートに従って、第１の光源３１〜３３と第２の光源４１〜４３の各色の発光ダイオードの内、同色の発光ダイオードを、同期させながら順次点灯することによって、第１と第２の、２つの系統の発光源から出力される同じ原色の光が、偏光プリズム５０で合成され、ライトバルブ５３を照明することになる。
【００５２】
以上のように実施の形態２の投写装置によれば、各光源の発光ダイオードが、それ自身からの光束が必要な時間のみ点灯するので、常時点灯するハロゲンランプなどに比べて発生する光束をより効率的に利用できる。
【００５３】
また、波長合成器３４、４４では、赤色光束と青色光束を一旦全反射させて、各誘電体多層膜で反射させる構成としている。これにより、赤色光束と青色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０°程度に小さくできるので、誘電体多層膜への入射角が４５°の場合に比べ、分光特性の偏光方向の依存を極めて小さくすることができる。更に、波長の分離特性がよりシャープに、例えば、波長分離間隔を約２０ｎｍにできるので、各色の発光ダイオードの発振波長拡がりがある場合にも波長拡がりによる重なりが少なくなり、光源の発生光束の損失を少なくできる。
【００５４】
実施の形態３．
図６は、本発明による照明光学系構造を有する実施の形態３の投写装置３の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【００５５】
この投写装置３が、図３に示す前記した実施の形態２の投写装置２と主に異なる点は、更に第１と第２の青緑色光源３６，４６と、これに伴う第３と第４の波長合成器３７，４７が追加された点である。従って、本実施の形態３の投写装置３が実施の形態２の投写装置２と共通する部分には同符号を付してその説明を省略し、異なる点を重点的に説明する。
【００５６】
図６において、３６は、青緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成されている第１の青緑色光源、また４６は、同様に青緑色で発光する複数の発光ダイオードと本発光ダイオードから放射される発散光を略平行光化する複数の反射鏡又はコリメータレンズから構成されている第２の青緑色光線である。
【００５７】
また、３７は、緑色を透過し、且つ青緑色を反射する接合面３７ａを有し、第１の緑色光源３１と第１の青緑光源３６からの光束を略同一光軸上で出力する第３の波長合成器であり、４７は同様にして第２緑色光源４１と第２青緑光源４６からの光束を略同一光軸上で出力する第４の波長合成器である。
【００５８】
以上の構成において、第１の緑色光源３１、第１の赤色光源３２、第１の青色光源３３、第１の青緑色光源３６、第１の波長合成器３４、及び第３の波長合成器３７が第１の照射光出力手段に相当し、第２の緑色光源４１、第２の赤色光源４２、第２の青色光源４３、第２の青緑色光源４６、第２の波長合成器４４、及び第４の波長合成器４７が第２の照射光出力手段に相当し、更に第１の波長合成器３４及び第３の波長合成器３７、或いは第２の波長合成器４４及び第４の波長合成器４７がそれぞれ波長合成手段に相当する。
【００５９】
次に、以上の構成が追加された本実施の形態３の投写装置３の動作について説明する。尚、第１の青緑色光線３６と第２の青緑色光線４６、及び第３の波長合成器３７と第４の波長合成器４７とは、それぞれ全く同じ構成をしているため、第１の青緑色光線３６及び第３の波長合成器３７を例にとってその動作を説明する。
【００６０】
波長合成器３７は、２個の３角プリズムで構成されており、２つの３角プリズムが接合される接合面３７ａに多層誘電体膜が形成されている。波長合成器３７の左方向から入射する緑色の光束は、まず、２つの３角プリズムの接合面３７ａに達するが、この接合面には緑色の波長領域の光を透過する誘電体多層膜が形成されているので、緑色の光束はこの誘電体多層膜を透過し、波長合成器３７を右に透過する。
【００６１】
一方、前記の誘電体多層膜は、青緑色の波長領域の光は反射する特性を有する。このため、波長合成器３７に左上から入射した青緑色の光束は、全反射後、接合面３７ａに形成された誘電体多層膜で反射されて波長合成器３７から外部（図６では右方向）に取り出される。従って、第１の緑色光源３１及び第１の青緑色光源３６からの光束は、第３の波長合成器３７によって同一光軸上で出力され、次の第１の波長合成器３４に向かい、これを透過する。同様にして、第２の緑色光源４１及び第２の青緑色光源４６からの光束は、第４の波長合成器４７によって同一光軸上で出力され、次の第２の波長合成器４４に向かい、これを透過する。
【００６２】
以後の光束の伝播は、前記した実施の形態１で説明した通りであるため、ここでの説明を省略する。また、本実施の形態３の投写装置では、前記した実施の形態２の投写装置２と同様に、各色をそれぞれ放射する発光ダイオードを順次選択点灯することによって各色を選択するものであるが、ここではその方法についての説明も省略する。
【００６３】
以上のように、実施の形態３の投写装置によれば、実施の形態２と同様に、各光源の発光ダイオードが、それ自身からの光束が必要な時間のみ点灯するので、常時点灯するハロゲンランプなどに比べ、発生する光束をより効率的に利用できる。
【００６４】
また、波長合成器３４、４４及び３７、４７では、赤色光束、青色光束、青緑色光束を一旦全反射させて、誘電体多層膜で反射させる構成としている。これにより、赤色光束、青色光束、青緑色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０度程度に小さくできるので、前記した実施の形態２と同様の効果を得ることができる。従って、緑色、青緑色、青色の光束の中心波長の間隔を小さく、例えば、緑色の中心波長を５３０±２０ｎｍ、青緑色の中心波長を５００±２０ｎｍ、青色の中心波長を４７０±２０ｎｍとして、不足がちである緑色光束成分を増大できる。更に、４つの単色光成分を合成するので、加法混色の原理から色再現域を広くできる。
【００６５】
尚、前記実施の形態３では、４色の光源を備えた場合を示したが、これに限定されるものではなく、光源を５色以上に増加させて、色再現域の増加や投写光束の増大を促進させるようにしてもよいなど種々の態様を取り得るものである。
【００６６】
また、前記した実施の形態１では、発光源として高圧水銀ランプを想定して説明したが、これに限定されるものではなく、他にハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを用いてもよい。
【００６７】
また、前記した実施の形態２，３では、発光源として発光ダイオードを想定して説明したが、これに限定されるものではなく、他に半導体レーザをもちいてもよいなど、種々の態様を取り得るものである。
【００６８】
また、前記した実施の形態の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、照明光学系構造を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。
【００６９】
【発明の効果】
請求項１の照明光学系構造によれば、２つ照射光出力手段から各々出力される光束を合成してライトバルブを照明するので、１つの場合にくらべてこの照明光の絞り込み角度を大きくすることなく、充分なスクリーンへの投写光束を得ることができる。
【００７０】
請求項２，３の照明光学系構造によれば、請求項１の効果に加え、各照射光出力手段の発光源として、比較的入手が容易なハロゲンランプなどのランプを１つ使用する構成とすることができるので、照明光学系を比較的簡単な構成とすることができ、更にメンテナンスも容易となる。
【００７１】
請求項４の照明光学系構造によれば、赤、青、緑等の単色光を出力する光源を組み合わせることができるため、各光源として発光ダイオードなどの半導体発光素子を採用することができ、装置の省エネ化或いは長寿命化に貢献することができる。
【００７２】
請求項５、６の照明光学系構造によれば、請求項４の効果に加え、不足がちである緑色光束成分が増大できる。更に、少なくとも４つの単色光成分を合成するので、加法混色の原理から色再現域を広くできる。
【００７３】
請求項７、９の照明光学系構造によれば、各色の光源として発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を採用し、更にこれらを、必要な時間に必要な色の光束のみが得られるように発光駆動するため、発光源の効率を上げると共に、照明光学系の信頼性を高めることができる。
【００７４】
請求項８の照明光学系構造によれば、赤色光束と青色光束の誘電体多層膜への入射角度を１０度程度に小さくできるので、誘電体多層膜への入射角が４５度の場合に比べ、分光特性の偏光方向の依存を極めて小さくすることができる。更に、波長の分離特性がよりシャープに、例えば、波長分離間隔を約２０ｎｍにできるので、各色の発光ダイオードの発振波長拡がりがある場合にも波長拡がりによる重なりが少なくなり、光源の発生光束の損失を少なくできる。
【００７５】
請求項１０の照明光学系構造によれば、偏光合成手段として偏光プリズムを使用するので、照明光学系を容易に構成することができる。
【００７６】
請求項１１の投写装置によれば、十分な光量でライトバルブを照明して、スクリーンに所望の明るさの映像を投写することが可能な投写装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態１の投写装置１の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図２】偏光プリズム５０の働きを説明するための図で、（ａ）は偏光プリズム５０とその入出力光の光路関係を示す外形斜視図であり、（ｂ）は偏光プリズム５０の分光特性を示す分光特性グラフである。
【図３】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態２の投写装置２の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図４】波長合成器３４，４４の働きを説明するための図で、（ａ）は第１の波長合成器３４とその入出力光の光路関係を示す断面図であり、（ｂ）はその色合成特性を示す色合成特性グラフである。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、繰り返し行われる順次選択点灯の１フレームにおける３原色選択シーケンスの例を２例示したタイムチャートである。
【図６】本発明による照明光学系構造を有する実施の形態３の投写装置３の要部構成を概略的に示す要部構成図である。
【図７】ライトバルブを照明する光束を形成する照明光学系部材の、従来の配置例を概略的に示す要部構成図である。
【図８】図７に示すカラーホイール１０４を矢印Ａ方向からみた正面図であり。
【符号の説明】
１ 投写装置、 ２ 投写装置、 ３ 投写装置、 １１，２１ 発光源、 １２，２２ 楕円反射鏡、 １３，２３ カラーホイール、 １４，２４ コリメータレンズ、 １５，２５ 第１レンズアレー、 １６，２６ 第２レンズアレー、 １７，２７ インテグレータ、 １８，２８ 偏光変換素子、 １９，２９ 重ね合わせレンズ、 ３１ 第１の緑色光源、 ３２ 第１の赤色光源、３３ 第１の青色光源、 ３４ 第１の波長合成器、 ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ ３角プリズム、 ３４ｆ，３４ｇ 接合面、 ３６ 第１の青緑色光源、 ３７ 第３の波長合成器、 ３７ａ 接合面、 ３８，３９ 測定曲線、 ４１第２の緑色光源、 ４２ 第２の赤色光源、 ４３ 第２の青色光源、 ４４第２の波長合成器、 ４６ 第２の青緑色、 ４７ 第４の波長合成手段、 ４７ａ 接合面、 ５０ 偏光プリズム、 ５１ コンデンサレンズ、 ５２ 全反射プリズム、 ５３ ライトバルブ、 ５４ 投写レンズ、 ５５ スクリーン、 １００ 投写装置、 １０１ 発光源、 １０２ 反射鏡、 １０３ コンデンサレンズ、 １０４ カラーホイール、 １０４ａ 回転軸、 １０５ガラスロッド、 １０６ 第１のリレーレンズ、 １０７ 第２のリレーレンズ、 １０８ 全反射型プリズム、 １０９ ライトバルブ、 １１０ 投写レンズ、 １１１ スクリーン。
Claims (11)
- 光源から出力される光束をライトバルブに照射し、該ライトバルブによって形成された画像を、投写レンズによってスクリーンに投写する投写装置の照明光学系構造であって、
１又は複数の光源を有し、所定の色の光束を出力する第１の照射光出力手段と、
該第１の照射光出力手段から出力された光束を、１つの方向に偏光した第１偏光光を出力する第１の偏光変換手段と、
１又は複数の光源を有し、所定の色の光束を出力する第２の照射光出力手段と、
該第２の照射光出力手段から出力された光束を、前記１つの方向と略直交する方向に偏光した第２の偏光光を出力する第２の偏光変換手段と、
前記第１の偏光光と前記第２の偏光光とを略同一光軸上に合成した合成光束を出力する偏光合成手段と
を有することを特徴とする投写装置の照明光学系構造。 - 前記第１と第２の照射光出力手段は、それぞれの光源が、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプの何れかのランプであることを特徴とする請求項１記載の投写装置の照明光学系構造。
- 更に、前記第１と第２の照射光出力手段は、それぞれ前記光源に含まれる３原色成分を互いに同期しながら順次透過させて出力するカラーホイールを有することを特徴とする請求項２記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記第１と第２の照射光出力手段は、それぞれ、少なくとも赤、青、緑の光源と、これら各光源から出力される光束を入力し、略同一光軸上で出力する波長合成手段とを有することを特徴とする請求項１記載の投写装置の照明光学系構造。
- 更に前記第１と第２の照射光出力手段に、それぞれ青緑の光源を追加したことを特徴とする請求項４記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記光源の発光波長の中心値が、青色において４７０±２０ｎｍ、緑色において５３０±２０ｎｍ、青緑色において５００±２０ｎｍの各範囲内にあることを特徴とする請求項５記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記光源が、発光ダイオード及び／又は半導体レーザで構成されていることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記波長合成手段が、少なくとも１つの光源から入力した光束を一旦全反射した後誘電体多層膜で反射し、他の光源から入力して該誘電体多層膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するように構成されていることを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記第１と第２の照射光出力手段のそれぞれの各色の光源を、同期させながら順次発光させるように発光駆動することを特徴とする請求項４乃至８の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記偏光合成手段が、偏光プリズムによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造。
- 前記合成光束を出力する請求項１乃至１０の何れかに記載の投写装置の照明光学系構造と、
前記合成光束を照射することによって投写画像を形成するライトバルブと、
前記投写画像をスクリーンに投写する投写レンズと
を有することを特徴とする投写装置。
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