JP2004184611A - 光学素子、照明装置、投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で入射した光を均一な照度分布にて導出することが可能な光学素子を提供する。
【解決手段】本発明の光学素子１は、光入射面３と、光出射面４とを有し、光入射面３と光出射面４との間の空間を光反射面６で囲んで構成された導光手段２を有し、さらに光入射面３と光出射面４との間に配設された光拡散手段５を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子、照明装置、及び投射型表示装置に関し、特に入射した光を均一な面発光として出射させるための光学素子と、それを備える照明装置、及び該照明装置を備える投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達は目覚しく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、液晶ライトバルブを用いた光学系からなる映像源から出射される画像を、投射レンズを通してスクリーンに拡大投射するプロジェクタが知られている。
【０００３】
プロジェクタ用の照明装置としては、例えばメタルハライドランプ、超高圧水銀灯やハロゲンランプ等の光源を具備するものが知られているが、この光源から出射される光は一般に不均一な照度分布を持っている。したがって、被照明領域、具体的には光変調装置としての液晶ライトバルブの表示面における照度分布を均一化するために、ロッド状導光体からなる均一照明系の光学素子を照明装置に具備させたものが例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２３１３４４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなロッド状導光体からなる均一照明系を用いた場合、該均一照明系からの出射光について均一な照度分布を得るためには、ある程度長い距離の導光体が必要とされ、光学装置ひいてはプロジェクタが大型化してしまう等の問題が生じる場合がある。特に、狭い角度分布特性のＬＥＤ光源等を用いた場合には、照度分布の均一化が十分に行われない場合があり、液晶ライトバルブ等の被照明領域に対する照度ムラが発生し、照明効率が低下する場合がある。したがって、このような照明装置を備えたプロジェクタ等においては、コントラスト低下等の表示特性低下が発生する惧れがある。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡単な構成で入射した光を均一な照度分布にて導出することが可能な光学素子と、該光学素子を備えた照明装置と、この照明装置を備えた高輝度で信頼性の高い投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の光学素子は、光入射面と、光出射面とを有し、前記光入射面から入射した光を少なくとも自身の内部において反射させつつ前記光出射面に導光する導光手段と、前記光入射面と前記光出射面との間に配設された光屈折手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
このような光学素子によると、光入射面から入射した光を照度分布の均一な面発光として導出させることが可能となる。すなわち、光入射面から導光手段に入射した光は、光屈折手段にて屈折され、広い角度分布にて導光手段内を通過することとなり、該導光手段の内部（内面）で反射される頻度が高くなると、導光手段の出射面に導出される光は、より照度分布の均一な面発光になり、例えば当該光学素子により被照射体を照射する際には照度ムラが少なくなる。特に、光入射面から入射させる光が、角度分布の狭い光である場合には、上述した効果は顕著となり、例えば光源として、ＬＥＤ等を用いて入射させる際は極めて高効率となる。また、本発明によると、導光手段の導光部分を長くせずとも、均一な光を得ることができるため、該導光手段の長さを短くすることができ、当該光学素子、およびこれを用いた照明装置を小さくコンパクト化することが可能となる。
【０００９】
一方、上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、その異なる態様として、光源からの光が入射される光入射面と、該光入射面から入射した光が出射する光出射面とを有し、前記光入射面から入射した光を少なくとも自身の内部において反射させつつ前記光出射面に導光する導光手段と、前記光源と前記光出射面との間に配設された光屈折手段とを備えることを特徴とする。このように、光屈折手段を光入射面と光出射面の間に限らず、光源と光出射面の途上に配設することで、上述した効果、すなわち照度分布のより均一な面発光にて光を導出させる効果を達成することが可能である。
【００１０】
本発明において、導光手段は棒状の導光体若しくは管状の導光体（いわゆるロッドレンズ）から構成することができる。その場合、ロッドレンズの形状としては、光出射面は被照射体と光学的に共役である（相似形である）ことが好ましく、光入射面と光出射面とは必ずしも相似形である必要はない。また、入射側から出射側に向けて同一の径を有するものであってもよいが、先拡がりの形状（いわゆるテーパ形状）としてもよい。すなわち、光出射面の面積を、光入射面の面積よりも大きいものとし、先拡がりの形状とした場合、当該導光手段への光の入射角に対して出射角を変化させることも可能となり、本発明の光屈折手段配設による効果と相俟って一層照度分布の均一な光を導出することが可能となるとともに、より平行光に近い光を得ることが可能となる。なお、棒状の導光体の場合、導光途上では、自身と他部材（例えば空間）との屈折率の相違に基づき、当該導光装置の内面側に光を反射させながら導光を行うものとすることができ、また、筒状の導光体の場合、光入射面から光出射面に至る途上の空間において当該筒状導光体内面に反射膜を形成し、該反射膜により導光装置の内面側に光を反射させながら導光を行うものとすることができる。
【００１１】
なお、光屈折手段を配設せずに導光手段を単独で用いた場合、特に先拡がり形状の導光手段を単独で用いた場合には、反射を繰り返すことによって徐々に光線の角度が変換されるため、ある程度の長さが必要であるが、本発明のように光屈折手段を配設した構成によると導光手段が短くても同じ効果が得られるため、光学エンジンの小型化が容易となる。
【００１２】
上記のような光屈折手段は、例えば光出射面よりも光入射面に相対的に近い側に配設するのが好ましい。光入射面側に配設することにより、導光手段内部を反射する頻度が一層高まり、照度分布の均一な光を一層出射させることが可能となる。なお、光屈折手段としては、例えばマイクロレンズアレイ、単レンズ（平凹、対称両凹レンズ）、屈折率分布材料（透光性基材にフィラーを分散させたもの）等の光拡散手段を例示することができる。
【００１３】
次に、本発明の照明装置は、上記光学素子と、該光学素子の光入射面に対向して配設された光源とを備えることを特徴とする。このような照明装置によると、例えば導光手段の光出射面側に設けた被照明体（被照射体）に対する照明効率が非常に高くなり、その照度分布も均一なものとなり、例えば投射型表示装置であるプロジェクタ用の照明装置として非常に適したものとなる。すなわち、均一な面発光を出射可能な照明装置によりプロジェクタ等の表示装置の光源を構成することで、コントラスト低下等が生じ難く、優れた表示特性を提供可能となる。
【００１４】
また、本発明の投射型表示装置は、上記照明装置と、該照明装置から出射される光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを備えたことを特徴とする。このような投射型表示装置は、照明効率が非常に高く、照度分布も均一な照明装置を備えて構成されるため、表示特性が非常に優れたものとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。
図１は本発明の光学素子に係る導光装置１の概略斜視図で、図２は導光装置１を模式的に示す断面図である。図面中符号２は導光装置１の主体をなすロッドレンズ（導光手段）で、符号３はロッドレンズ２の光入射面、符号４はロッドレンズ２の光出射面、符号５は光屈折手段としてのマイクロレンズアレイ（光拡散手段）、符号６は金属反射膜（光反射面）である。
【００１６】
導光装置１は、光入射面２から入射された光を、ロッドレンズ２を介して光出射面４側に導くものであって、本実施形態の場合、光の導光途上にマイクロレンズアレイ５が配設され、ロッドレンズ２の内面にはＡｌ等の金属反射膜６が形成されている。なお、ロッドレンズ２は、光入射面３と光出射面４との間の空間を金属反射膜６で囲まれた筒状の導光体から構成され、光入射面３側から光出射面４側に向けて先拡がりの形状（いわゆるテーパ形状）をなし、すなわち、光出射面４の面積を、光入射面３の面積よりも大きく構成している。なお、ロッドレンズ２は先拡がり形状以外にも、光入射面３側から光出射面４側に向けて同一の径を有するもの、すなわち光入射面３と光出射面４の面積が同じ形状のものを採用することもできる。
【００１７】
マイクロレンズアレイ５は、複数のマイクロレンズがアレイ状に形成されたものであって、凹凸が所定の周期で配列された構成をなしており、入射した光を拡散させながら出射させることが可能とされている。本実施形態では、ロッドレンズ２の光入射面３により近い側に配設されているが、マイクロレンズアレイ５の配設位置は、例えば光出射面４に近い側に設定することも可能である。
【００１８】
以上のような導光装置１によると、図２に示したように、光入射面３から入射した光を照度分布の均一な面発光として導出させることが可能となる。すなわち、光入射面３からロッドレンズ２に入射した光は、マイクロレンズアレイ５にて拡散され、マイクロレンズアレイ５を出射した光は広い角度分布にてロッドレンズ２内を通過するため、ロッドレンズ２の金属反射膜６にて反射される頻度が高くなり、光出射面４に導出される光は、より均一な面発光となるのである。したがって本実施形態の導光装置１では、光入射面３から入射される光が、角度分布の狭い光である場合には、上述した効果は一層顕著となり、例えば光源として、ＬＥＤ等を用いて入射させる際は極めて高効率となる。
【００１９】
また、本実施形態の導光装置１によると、ロッドレンズ２の長さを長くしなくても、照度分布の均一な光を得ることができるため、該ロッドレンズ２の長さを短くすることができ、導光装置１を小さくコンパクト化することが可能となる。また、ロッドレンズ２を先拡がりの形状としたため、当該ロッドレンズ２への光の入射角に対して出射角を変化させることも可能となり、一層照度分布の均一な光を導出することが可能である。なお、光出射面４を曲面に構成し、出射光をコリメート化させることで、被照射体を照度分布の均一な平行光にて照射することが可能となる。
【００２０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態を、図３を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成部材については、同じ符号を付し、説明を省略する。
本発明の光学素子に係る第２実施形態の導光装置１１は、光拡散手段として単レンズ１５、具体的には平凹レンズを用いている。このような単レンズ１５を光入射面３と光出射面４との間に配設することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、すなわち、より均一な面発光を光出射面４から出射させることが可能となる。なお、単レンズ１５としては、平凹レンズ以外にも、例えば対称両凹レンズを用いることも可能である。
【００２１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態を、図４を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成部材については、同じ符号を付し、説明を省略する。
本発明の光学素子に係る第３実施形態の導光装置２１は、光拡散手段として屈折率分布部材２５、具体的にはアクリル樹脂基材２８にガラスフィラー２９を適宜分布させた屈折率分布材料からなる平板状部材を用いている。なお、本実施形態では、アクリル樹脂基材２８に対して、ガラスフィラー２９の充填密度が中心側が相対的に高くなるように、該ガラスフィラー２９を分布させている。このような屈折率分布部材２５を光入射面３と光出射面４との間に配設することによっても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、すなわち、より均一な面発光を光出射面４から出射させることが可能となる。
【００２２】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態を、図５を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成部材については、同じ符号を付し、説明を省略する。
本発明の照明装置に係る第４実施形態の照明装置３１は、ロッドレンズ２の光入射面３に対向して光源３０を備えた構成をなしており、光拡散手段５（１５，２５）が光入射面３の外側に形成されている。したがって、光拡散手段５（１５，２５）は、光源３０と光出射面４との間に配設された構成をなし、ロッドレンズ２に入射する光は、大きく拡散された光となる構成となっている。なお、光源３０は、出射角度分布の狭いＬＥＤ光源等を採用したものである。
【００２３】
このような照明装置３１によると、ロッドレンズ２の光出射面４側に設けた被照明体（被照射体）に対する照明効率が非常に高くなり、その照度分布も均一なものとなり、例えば投射型表示装置であるプロジェクタ用の照明装置として非常に適したものとなる。
【００２４】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態を、図６を参照して説明する。なお、本実施形態においては、特に図面を見やすくするため、各構成要素の寸法比率などは適宜異ならせてある。
図６は、上記実施の形態で示した導光装置１，１１，２１のいずれかを備える照明装置３１を用いた投射型表示装置９１の要部を示す概略構成図である。本実施の形態では、色順次駆動方式の投射型カラー液晶表示装置の例を示し、図中符号３０はＬＥＤ光源（面状光源）、９５は液晶ライトバルブ（光変調装置）、９６は投射レンズ（投射装置）である。なお、ＬＥＤ光源３０は、面内に赤色、緑色、青色の各色光源を複数含むＬＥＤアレイ光源として構成されている。
【００２５】
投射型表示装置９１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光を出射可能なＬＥＤ光源（固体発光素子）３０と、光源３０から出射された光を均一な照明光とするための均一照明系の光学素子たる導光装置１（１１，２１）とを備えた照明装置３１と、照明装置３１から出射される色光を変調して画像を合成する液晶ライトバルブ９５と、液晶ライトバルブ９５によって合成された画像をスクリーン９９に拡大投射する投射レンズ９６とから概略構成されている。
【００２６】
液晶ライトバルブ９５には、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ， 以下、ＴＦＴと略記する）を用いたＴＮモードのアクティブマトリクス方式の透過型の液晶セル９３１が使用され、液晶セル９３１の外面には入射側偏光板９３２、出射側偏光板９３３がその透過軸が互いに直交するように配置されて設けられている。例えば、オフ状態では液晶ライトバルブ９５に入射された偏光が所定の偏光に変換されて出射される一方、オン状態では光が遮断されるようになっている。なお、液晶ライトバルブ９５と照明装置３１は離間して配置しても良いが、装置の小型化、薄型化のためには全てを密着させて配置することが望ましい。
【００２７】
本実施の形態の投射型表示装置９１では、１フレームを時分割し、時間順次にＲ、Ｇ、Ｂの各色光を出射させ、ＬＥＤ光源３０から各色光を出射するタイミングと液晶ライトバルブ９５を駆動するタイミングとを同期させることにより、ＬＥＤ光源３０から出射される色光に対応させて液晶ライトバルブ９５を時間順次に駆動し、ＬＥＤ光源３０から出射される色光に対応する画像信号を出力することにより、カラー画像を合成することが可能な構成になっている。
【００２８】
このような投射型表示装置９１は、上記導光装置１（１１，２１）を備えた照明装置３１を採用してなるため、照明効率が高く、表示特性に優れた表示装置となる。また、照度分布が均一なため、液晶ライトバルブの耐久性も向上し、ひいては当該投射型表示装置の耐久性向上にも繋がる。
【００２９】
次に、投射型照明装置の変形例を、図７を参照して説明する。図７は投射型表示装置の更に異なる変形例について、その概略構成を示す拡大図であって、この場合の投射型表示装置７１は３板方式の例である。図７の投射型液晶表示装置７１では、Ｒの色光を発光し得るＬＥＤ光源３０Ｒ、Ｇの色光を発光し得るＬＥＤ光源３０Ｇ、Ｂの色光を発光し得るＬＥＤ光源３０Ｂの３個を光源としてそれぞれ用いている。そして、各ＬＥＤ光源３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂの出射側には、図６で用いたものと同様の導光装置１（１１，２１）が配置されており、照明装置３１を構成している。
【００３０】
各照明装置３１の出射側には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光を変調する液晶ライトバルブ７５がそれぞれ設けられている。そして、各液晶ライトバルブ７５によって変調された３つの色光が、クロスダイクロイックプリズム７２５（色合成手段）に入射するように構成されている。このプリズム７２５は４つの直角プリズムが貼り合わされたものであり、内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光Ｌｒ、Ｌｇ、Ｌｂが合成されてカラー画像を表す光が形成される。色合成された光は投射レンズ７６によりスクリーン７９上に投射され、拡大された画像が表示される。
【００３１】
このような投射型表示装置７１においても、第１〜第３の実施形態で示した導光装置１，１１，２１のいずれかを備える照明装置３１を適用したため、照明効率が高く、表示特性に優れた表示装置となる。また、照度分布が均一なため、液晶ライトバルブの耐久性も向上し、ひいては当該投射型表示装置の耐久性向上にも繋がる。
【００３２】
以上、本発明に係る実施の形態を示したが、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態においては導光手段たるロッドレンズを直方体状にて形成したが、被照明体（液晶ライトバルブ等）の構成により例えば円柱状にて形成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の導光装置を示す概略斜視図。
【図２】図１の概略断面図。
【図３】第２実施形態の導光装置を示す概略断面図。
【図４】第３実施形態の導光装置を示す概略断面図。
【図５】第４実施形態の導光装置を示す概略断面図。
【図６】第５実施形態の投射型表示装置を示す概略構成図。
【図７】図６の投射型表示装置の一変形例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１，１１，２１…導光装置（光学素子）、２…ロッドレンズ（導光手段）、３…光入射面、４…光出射面、５，１５，２５…光拡散手段、６…金属反射膜（光反射面）、３０…光源、３１…照明装置、７１，９１…投射型表示装置、７５，９５…液晶ライトバルブ

Claims (7)

1. 光入射面と、光出射面とを有し、前記光入射面から入射した光を少なくとも自身の内部において反射させつつ前記光出射面に導光する導光手段と、
   前記光入射面と前記光出射面との間に配設された光屈折手段とを備えることを特徴とする光学素子。
2. 光源からの光が入射される光入射面と、該光入射面から入射した光が出射する光出射面とを有し、前記光入射面から入射した光を少なくとも自身の内部において反射させつつ前記光出射面に導光する導光手段と、
   前記光源と前記光出射面との間に配設された光屈折手段とを備えることを特徴とする光学素子。
3. 前記光出射面が、前記光入射面よりも面積が大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記光屈折手段が、前記光出射面よりも前記光入射面に相対的に近い側に配設されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記導光手段が、棒状の導光体若しくは管状の導光体から構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子と、前記光学素子の前記光入射面に対向して配設された光源とを備えることを特徴とする照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置と、該照明装置から出射される光を変調する光変調装置と、該光変調装置により変調された光を投射する投射装置とを備えたことを特徴とする投射型表示装置。

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