JP2005091491A - 照明装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型な構成、かつ、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させる照明装置等を提供すること。
【解決手段】固体発光素子からなり、照明光を供給する発光部２０１と、照明光を反射させる略楕円形状のリフレクタ２１０と、照明光を平行化して射出するコリメータレンズ２２０と、発光部２０１からの照明光をリフレクタ２１０の方向に反射させる略球面形状の補助反射鏡２３０と、を有し、発光部２０１の発光中心位置と、リフレクタ２１０の第１焦点位置と、コリメータレンズ２２０の前側焦点位置と、補助反射鏡２３０の曲率中心位置とは、位置Ｐ１にて略一致し、リフレクタ２１０の第２焦点位置と、コリメータレンズ２２０の前側主点位置とは、位置Ｐ２にて略一致する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、照明装置、及び投写型表示装置、特に、発光部として固体光源を用いる照明装置の技術に関するものである。

従来、発光ダイオード素子（以下、適宜「ＬＥＤ」という。）等の固体光源を発光部として用いる照明装置には、発光部からの光を集光するための反射鏡やレンズ等が用いられる。集光特性を備えた反射鏡やレンズ等を照明装置に設けることにより、発光部からの光を所定の角度範囲において、かつ、所定の方向に、効率良く進行させることができる。集光特性を備えた反射鏡やレンズ等を設ける照明装置の技術としては、例えば、特許文献１、特許文献２に提案されているものがある。

特開平１０−３１１９４４号公報 特開２００１−２４９４０５号公報

特許文献１にて開示されている照明装置には、集光部材として、楕円反射面と、凹レンズとが設けられている。楕円反射面は、楕円反射面の第１焦点位置と発光点とが略一致するような位置に設けられている。また、凹レンズは、凹レンズの焦点位置と、楕円反射面の第２焦点位置とが略一致するような位置に設けられている。発光部には、光学的に透明なアクリル部材等からなるパッケージが設けられる。発光部からの光は、パッケージの内部を進行して射出される。しかしながら、特許文献１にて開示されている照明装置の構成によると、パッケージのレンズ効果によって、発光部の虚像が形成されてしまう。発光部の虚像が形成されると、凹レンズの焦点位置に発光部の像を結ぶことが困難となる。従って、特許文献１にて開示されている照明装置の構成によると、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させることが困難となる。

特許文献２にて開示されている照明装置には、球面からなる球面反射鏡と、球面反射鏡の外縁を取り囲むように、回転放物面からなる回転放物面反射鏡とが設けられている。さらに、照明装置は、発光部、球面反射鏡、回転放物面反射鏡からの光を平行光にするコンデンサレンズと、回転放物面反射鏡の外縁部近傍に、球面からなる補助反射鏡とを有する。補助反射鏡は、補助反射鏡の焦点と、発光点とが略一致するような位置に設けられる。これらの構成により、発光部からの照明光を効率良く平行光にして射出することができる。しかし、球面反射鏡からの光を十分取り込むために、大型なコンデンサレンズを用いなければならない。また、補助反射鏡は、回転放物面反射鏡からコンデンサレンズの方向へ進行する光を遮らないように、照明装置の光軸から離れた位置に設ける必要がある。コンデンサレンズが大型となること、補助反射鏡を光軸から離れた位置に設けることから、照明装置は大型な構成となってしまう。照明装置が大型となると、照明装置による照明範囲も大きくなる。特に、投写型表示装置に用いられる照明装置が大型となると、光が照射される対象となる空間光変調装置も大型にする必要が生じる。このため、特許文献２に開示されている照明装置は、小型な投写型表示装置に用いることが困難である。

以上のように、従来の照明装置は、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させること、小型な構成にすることにおいて困難があるため問題である。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、小型な構成で、かつ、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させることができる照明装置と、その照明装置を用いる投写型表示装置とを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、固体発光素子からなり、照明光を供給する発光部と、照明光を反射させる略楕円形状のリフレクタと、発光部から供給され、直接入射した照明光と、リフレクタの方向に進行し、リフレクタで反射されて入射した照明光とを、平行化して射出するコリメータレンズと、発光部からの照明光を、リフレクタの方向に反射させる略球面形状の補助反射鏡と、を有し、リフレクタは、リフレクタの第１焦点位置と、発光部の発光中心位置とが略一致するような位置に設けられ、コリメータレンズは、リフレクタの第２焦点位置と、コリメータレンズの前側主点位置とが略一致するような位置であって、かつ、コリメータレンズの前側焦点位置と、発光部の発光中心位置とが略一致するような位置に設けられ、補助反射鏡は、補助反射鏡の曲率中心位置と、発光部の発光中心位置とが略一致するような位置に設けられていることを特徴とする照明装置を提供することができる。

コリメータレンズは、コリメータレンズの前側焦点位置が、発光部の発光中心位置に略一致するような位置に設けられている。このため、発光部の発光中心位置から放射されてコリメータレンズの方向へ進行する照明光は、コリメータレンズによって平行化される。発光部から、コリメータレンズとは逆の方向へ進行した照明光は、リフレクタに入射する。リフレクタは、リフレクタの第１焦点位置が、発光部の発光中心位置に略一致するような位置に設けられている。このため、発光部の発光中心位置からリフレクタに入射した照明光は、リフレクタの第２焦点位置に集光される。また、リフレクタの第２焦点位置が、コリメータレンズの前側主点位置に略一致している。ここで、主点とは、レンズ系において物体と像との大きさが等しい、即ち横倍率が１である共役点である。レンズ系が同一媒質中、例えば空気中にあるとき、主点と節点とは一致する。節点とは、各倍率が１である共役点である。節点への入射光線と、節点からの射出光線の、光軸に対する角度は等しい。このため、コリメータレンズは、リフレクタからコリメータレンズの前側主点位置に入射した照明光を、屈折させずそのままの角度方向で透過させ、照明対象物の方向へ進行させる。

補助反射鏡は、補助反射鏡の曲率中心位置が、発光部の発光中心位置に略一致するように設けられている。また、補助反射鏡の曲率中心位置は、リフレクタの第１焦点位置に略一致している。このため、補助反射鏡は、発光部からの照明光を、補助反射鏡の曲率中心位置の方向へ反射させる。補助反射鏡の曲率中心位置の方向へ進行した照明光は、発光部を透過した後、リフレクタに入射する。補助反射鏡で反射され、リフレクタに入射した照明光は、リフレクタで反射されてコリメータレンズの方向へ進行する。

本発明の照明装置は、発光部と、リフレクタと、コリメータレンズと、をそれぞれ上述した位置に配置することにより、照明対象物の方向へ照明光を射出する。発光部にはパッケージを設けないため、発光部の虚像は形成されない。発光部にパッケージを設けることとし、虚像が形成される場合は、発光部の虚像が形成される位置に、コリメータレンズの前側焦点位置と、リフレクタの第１焦点位置と、補助反射鏡の曲率中心位置とを略一致させる。さらに、リフレクタの第２焦点位置は、パッケージのレンズ効果を考慮して、発光部の像がコリメータレンズの前側主点位置に略一致する位置に結像されるような位置とする。このようにして照明装置を構成すると、パッケージのレンズ効果によって発光部の虚像が形成される場合であっても、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させることができる。また、略楕円形状のリフレクタを用いると、同一の深さを有する略球面形状のリフレクタを用いる場合と比較して、リフレクタの開口部の径を小さくすることができる。リフレクタの開口部の径が小さくなると、径が小さいコリメータレンズに、リフレクタからの照明光を入射させることができる。このため、略楕円形状のリフレクタを用いると、同一の深さを有する略球面形状のリフレクタを用いる場合に比較して、コリメータレンズを小型にすることができる。

さらに、本発明の照明装置は、補助反射鏡を設けることにより、コリメータレンズに取り込まれない照明光を再利用する。補助反射鏡を用いて照明光を再利用するため、照明効率を向上させることができる。上述のようにコリメータレンズを小型にすることができることから、コリメータレンズの外縁近傍に補助反射鏡を設けても、照明装置を小型にすることが可能である。これにより、小型な構成で、かつ、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させることができる照明装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様によれば、補助反射鏡の曲率半径をｒ、コリメータレンズの半径をｄ、コリメータレンズの開口数をＮＡとすると、以下の条件式を満たすことが望ましい。
ｒ＝ｄ／ＮＡ （１）
式（１）を満たすようにコリメータレンズと、補助反射鏡とを設けることにより、コリメータレンズに取り込まれない照明光を効率良く発光部の方向へ戻して再利用することができる。これにより、高い照明効率の照明装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様によれば、補助反射鏡は、コリメータレンズの外縁近傍の位置から、リフレクタの開口平面の近傍の位置までの略全体を覆うようにして設けられていることが望ましい。補助反射鏡を、コリメータレンズの外縁近傍の位置から、リフレクタの開口平面の近傍の位置との間に設けることにより、コリメータレンズに取り込まれない照明光を効率良く発光部の方向へ戻して再利用することができる。また、補助反射鏡によって、発光部及びリフレクタからコリメータレンズの方向に進行する照明光が遮光されることがない。これにより、照明効率を下げることなく照明装置を構成できる。

さらに、本発明によれば、照明光を供給する照明装置と、照明装置からの照明光を画像信号に応じて変調して射出する空間光変調装置と、空間光変調装置からの光を投写する投写レンズと、を有し、照明装置は、上記の照明装置であることを特徴とする投写型表示装置を提供することができる。上記の照明装置を用いることから、所定の角度範囲の照明光を空間光変調装置の照射領域に進行させることができる。また、照明光を所定の角度範囲で供給することから、投写型表示装置の光学系において光がけられることも防止できる。このため、明るい投写像を得られる。また、照明装置を小型に構成できることから、投写型表示装置を小型にできる。さらに、照明装置を小型とすると、平行化された照明光の照射範囲も小さくすることができる。照明光の照射範囲を小さくできると、照明装置による照明対象である空間光変調装置も小型にすることが可能となる。これにより、小型で、かつ明るい投写像の投写型表示装置を得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る投写型表示装置１００の概略構成を示す。投写型表示装置１００は、３つの透過型液晶表示装置を備えた、いわゆる３板式透過型液晶プロジェクタである。投写型表示装置１００は、Ｒ光を平行化して供給するＲ光用照明装置１１０Ｒと、Ｇ光を平行化して供給するＧ光用照明装置１１０Ｇと、Ｂ光を平行化して供給するＢ光用照明装置１１０Ｂとを有する。Ｒ光用照明装置１１０Ｒと、Ｇ光用照明装置１１０Ｇと、Ｂ光用照明装置１１０Ｂとは、発光ダイオード素子（以下、「ＬＥＤ」という。）等からなる固体光源である発光部を有する。本実施例においては、まず投写型表示装置１００の概略構成について説明し、次いで各色光用照明装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂの詳細について説明する。

Ｒ光用照明装置１１０Ｒから平行化されて供給されたＲ光は、フライアイ型インテグレータ１１１Ｒに入射する。フライアイ型インテグレータ１１１Ｒは、第１のレンズアレイ１１２Ｒと、第２のレンズアレイ１１３Ｒとからなる。各レンズアレイ１１２Ｒ、１１３Ｒは、それぞれレンズ素子をマトリクス状に配列して構成されている。フライアイ型インテグレータ１１１Ｒは、各レンズアレイ１１２Ｒ、１１３Ｒの複数のレンズ素子によりＲ光を複数の部分光束に分割して、Ｒ光の強度分布を略均一にする機能を持つ。フライアイ型インテグレータ１１１Ｒから射出したＲ光は、偏光変換素子１１４Ｒに入射する。偏光変換素子１１４Ｒは、Ｒ光を、特定の振動方向を有する偏光光、例えば、ｐ偏光光に変換する。偏光変換素子１１４Ｒにおいて偏光変換されたＲ光は、重畳レンズ１１５Ｒに入射する。重畳レンズ１１５Ｒは、複数の部分光束に分割されているＲ光を、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒ上に重畳させる機能を有する。重畳レンズ１１５ＲからのＲ光は、フィールドレンズ１１６Ｒで主光線に略平行な光束に変換されて、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒに入射する。

Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒに入射するＲ光は、ｐ偏光光のままの状態である。Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、ｓ偏光光に変換される。変調によりｓ偏光光に変換されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１３０に入射する。

Ｇ光用照明装置１１０Ｇから平行化されて供給されたＧ光は、フライアイ型インテグレータ１１１Ｇに入射する。フライアイ型インテグレータ１１１Ｇは、第１のレンズアレイ１１２Ｇと、第２のレンズアレイ１１３Ｇとからなる。フライアイ型インテグレータ１１１Ｇの構成と機能とについては、Ｒ光についてのフライアイ型インテグレータ１１１Ｒの説明と同様である。強度分布を略均一化されてフライアイ型インテグレータ１１１Ｇから射出したＧ光は、偏光変換素子１１４Ｇに入射する。偏光変換素子１１４Ｇは、Ｇ光を、特定の振動方向を有する偏光光、例えば、ｓ偏光光に変換する。偏光変換素子１１４Ｇにおいて偏光変換されたＧ光は、重畳レンズ１１５Ｇに入射する。

重畳レンズ１１５Ｇは、複数の部分光束に分割されているＧ光を、Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇ上で重畳させる。重畳レンズ１１５ＧからのＧ光は、フィールドレンズ１１６Ｇで主光線に略平行な光束に変換されて、Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇに入射する。Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇに入射するＧ光は、ｓ偏光光のままの状態である。Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇに入射したｓ偏光光は、画像信号に応じた変調により、ｐ偏光光に変換される。変調によりｐ偏光光に変換されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム１３０に入射する。

Ｂ光用照明装置１１０Ｂから平行化されて供給されたＢ光は、フライアイ型インテグレータ１１１Ｂに入射する。フライアイ型インテグレータ１１１Ｂは、第１のレンズアレイ１１２Ｂと、第２のレンズアレイ１１３Ｂとからなる。フライアイ型インテグレータ１１１Ｂの構成と機能とについては、Ｒ光についてのフライアイ型インテグレータ１１１Ｒの説明と同様である。強度分布を略均一化されてフライアイ型インテグレータ１１１Ｂから射出したＢ光は、偏光変換素子１１４Ｂに入射する。偏光変換素子１１４Ｂは、Ｂ光を、特定の振動方向を有する偏光光、例えば、ｐ偏光光に変換する。偏光変換素子１１４Ｂにおいて偏光変換されたＢ光は、重畳レンズ１１５Ｂに入射する。

重畳レンズ１１５Ｂは、複数の部分光束に分割されているＢ光を、Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂ上で重畳させる。重畳レンズ１１５ＢからのＢ光は、フィールドレンズ１１６Ｂで主光線に略平行な光束に変換されて、Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂに入射する。Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂに入射するＢ光は、ｐ偏光光のままの状態である。Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、ｓ偏光光に変換される。変調によりｓ偏光光に変換されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム１３０に入射する。

クロスダイクロイックプリズム１３０は、２つのダイクロイック膜１３２、１３４を有する。２つのダイクロイック膜１３２、１３４は、Ｘ字型に直交して配置されている。ダイクロイック膜１３２は、ｓ偏光光であるＲ光を反射し、ｐ偏光光であるＧ光を透過する。ダイクロイック膜１３４は、ｓ偏光光であるＢ光を反射し、ｐ偏光光であるＧ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム１３０は、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒと、Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇと、Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂとにおいて変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成する。投写レンズ１４０は、クロスダイクロイックプリズム１３０で合成された光をスクリーン１５０に投写する。

なお、上述のように、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒ、Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂからクロスダイクロイックプリズム１３０に入射されるＲ光とＢ光とは、ｓ偏光光となるように設定される。また、Ｇ光用液晶表示装置１２０Ｇからクロスダイクロイックプリズム１３０に入射されるＧ光は、ｐ偏光光となるように設定される。このようにクロスダイクロイックプリズム１３０に入射される光の偏光方向に差異をつけるのは、クロスダイクロイックプリズム１３０において各色光用液晶表示装置から射出される光を有効に合成するためである。ダイクロイック膜１３２、１３４は、通常、ｓ偏光光の反射特性に優れる。このため、ダイクロイック膜１３２、１３４で反射されるべきＲ光及びＢ光をｓ偏光光とし、ダイクロイック膜１３２、１３４を透過すべきＧ光をｐ偏光光としている。

次に、図２、図３、図４を用いて、照明装置について説明する。Ｒ光用照明装置１１０Ｒと、Ｇ光用照明装置１１０Ｇと、Ｂ光用照明装置１１０Ｂとは、いずれも同様の構成であるため、ここではＲ光用照明装置１１０Ｒを代表例として以下の説明を行う。図２は、Ｒ光用照明装置１１０Ｒの概略構成を示す。Ｒ光用照明装置１１０Ｒの発光部２０１は、Ｒ光用ＬＥＤ等の固体発光素子を発光中心位置に設けた固体光源である。光学的に透明な硝子等の部材からなる透明基板２０４には、透明電極２０３、発光部２０１、透明電極２０２が順次積層されて設けられている。透明電極２０２、２０３は、例えば、ＩＴＯ膜により構成することができる。透明電極２０２は、アルミ電極２０５を介して端子２０７と電気的に接続されている。また、透明電極２０３は、アルミ電極２０６を介して端子２０８と電気的に接続されている。端子２０７と端子２０８との間に電圧を印加すると、透明電極２０２と、透明電極２０３との間に電圧が印加される。透明電極２０２と、透明電極２０３との間に電圧が印加されることによって、発光部２０１から、照明光であるＲ光が供給される。

透明基板２０４に対して発光部２０１とは反対の側には、略楕円形状のリフレクタ２１０が設けられている。リフレクタ２１０は、光軸ＡＸに対して略回転対称に設けられている。リフレクタ２１０の開口部を透明基板２０４に固定することによって、リフレクタ２１０と発光部２０１とは固定されている。リフレクタ２１０の碗形状の外面側は、モールド樹脂２１３によってモールドされている。発光部２０１から見てリフレクタ２１０とは反対の側には、コリメータレンズ２２０が設けられている。コリメータレンズ２２０は、光軸ＡＸに対して略回転対称に設けられている。

コリメータレンズ２２０の外縁近傍の位置には、略球面形状の補助反射鏡２３０が設けられている。補助反射鏡２３０も、光軸ＡＸに対して略回転対称に設けられている。補助反射鏡２３０の一方の開口部には、コリメータレンズ２２０が嵌め込まれている。コリメータレンズ２２０の径と、コリメータレンズ２２０が嵌め込まれている補助反射鏡２３０の開口部の径とは、略同一である。補助反射鏡２３０の略球面形状の外面側は、モールド樹脂２３３によってモールドされている。端子２０７、２０８と、モールド樹脂２１３と、透明基板２０４とは、モールド樹脂２１６を介して、基板２４０に固定されている。また、基板２４０と、モールド樹脂２３３とは、投写型表示装置１００の内部に固定されている。これにより、Ｒ光用照明装置１１０Ｒは、発光部２０１と、リフレクタ２１０と、コリメータレンズ２２０と、補助反射鏡２３０とを、それぞれ位置決めして、投写型表示装置１００の内部に固定している。

図３は、図２に示すＲ光用照明装置１１０Ｒの、発光部２０１と、リフレクタ２１０と、コリメータレンズ２２０と、補助反射鏡２３０との関係について示す。図４は、図２に示すＲ光用照明装置１１０Ｒの発光部２０１からの照明光の進行方向の例を示す。発光部２０１は、発光中心位置から放射状にＲ光を発生させる。発光部２０１から、図２に示す透明電極２０２の方向に放射されたＲ光は、透明電極２０２を透過して、コリメータレンズ２２０の方向と、補助反射鏡２３０の方向とに進行する。また、発光部２０１から、図２に示す透明電極２０３の方向に放射されたＲ光は、透明電極２０３と、図２に示す透明基板２０４とを透過して、リフレクタ２１０の方向に進行する。

図４に示すコリメータレンズ２２０の焦点距離ｆ１は、コリメータレンズ２２０の前側主点位置と、前側焦点位置との間の距離である。コリメータレンズ２２０は、コリメータレンズ２２０の前側焦点位置と、発光部２０１の発光中心位置とが位置Ｐ１にて略一致するように設けられている。発光部２０１の発光中心位置から放射されてコリメータレンズ２２０の方向に進行する照明光Ｌ１は、コリメータレンズ２２０で屈折され、略平行光となってＲ光用液晶表示装置１２０Ｒの方向に進行する。略平行光となってＲ光用液晶表示装置１２０Ｒの方向に進行する照明光は、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒの照射領域を効率良く照射することができる。

発光部２０１から、コリメータレンズ２２０とは逆の方向へ進行した照明光Ｌ２は、リフレクタ２１０に入射する。リフレクタ２１０の第１焦点距離ｆ２は、リフレクタ２１０の頂点位置Ｔと、第１焦点位置との間の距離である。また、リフレクタの第２焦点距離ｆ３は、リフレクタ２１０の頂点位置Ｔと、第２焦点位置との間の距離である。リフレクタ２１０は、リフレクタ２１０の第１焦点位置と、発光部２０１の発光中心位置とが位置Ｐ１にて略一致するように設けられている。発光部２０１の発光中心位置から放射されてリフレクタ２１０の方向に進行した照明光Ｌ２は、リフレクタ２１０で反射されて、リフレクタ２１０の第２焦点位置に集光する。リフレクタ２１０と、コリメータレンズ２２０とは、リフレクタ２１０の第２焦点位置と、コリメータレンズ２２０の前側主点位置とが位置Ｐ２において略一致するように設けられている。コリメータレンズ２２０の焦点距離ｆ１は、リフレクタ２１０の第１焦点位置と、第２焦点位置との間の距離と略同一である。

ここで、主点とは、レンズ系において物体と像との大きさが等しい、即ち横倍率が１である共役点である。レンズ系が同一媒質中、例えば空気中にあるとき、主点と節点とは一致する。節点とは、各倍率が１である共役点である。節点への入射光線と、節点からの射出光線の、光軸に対する角度は等しい。これにより、発光部２０１の発光中心位置から直接、あるいは、リフレクタ２１０で反射され、発光部２０１を透過してコリメータレンズ２２０の前側主点位置に入射した照明光Ｌ２は、コリメータレンズ２２０で屈折されずそのままの角度方向で進行して、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒの方向に進行する。コリメータレンズ２２０の前側主点位置に入射する照明光は、所定の角度範囲で、Ｒ光用液晶表示装置１２０の方向に進行する。所定の角度範囲でＲ光用液晶表示装置１２０Ｒの方向に進行する照明光は、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒの照射領域を効率良く照射することができる。

補助反射鏡２３０は、補助反射鏡２３０の曲率中心位置と、発光部２０１の発光中心位置とが位置Ｐ１において略一致するように設けられている。発光部２０１の発光中心位置から補助反射鏡２３０の方向へ供給された照明光Ｌ３は、補助反射鏡２３０で反射されて、発光部２０１の発光中心位置に戻る。また、補助反射鏡２３０の曲率中心位置は、位置Ｐ１において、リフレクタ２１０の第１焦点位置に略一致している。このため、補助反射鏡２３０で反射された照明光Ｌ３は、発光部２０１を透過してリフレクタ２１０の方向に進行した後、リフレクタ２１０で反射されて、リフレクタ２１０の第２焦点位置に集光する。上述のように、コリメータレンズ２２０は、リフレクタ２１０の第２焦点位置と、コリメータレンズ２２０の前側主点位置とが位置Ｐ２において略一致するように設けられている。従って、照明光Ｌ３は、照明光Ｌ２と同様に、コリメータレンズ２２０で屈折されずそのままの角度方向で進行して、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒの方向に進行する。このようにして、発光部２０１から補助反射鏡２３０の方向に進行する照明光Ｌ３は、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒの照射領域を効率良く照射することができる。

次に、補助反射鏡２３０によって覆われる空間的範囲について説明する。補助反射鏡２３０は、発光部２０１からコリメータレンズ２２０の側に射出され、コリメータレンズ２２０とは異なる方向に進行した照明光を、発光部２０１の方向に進行させる。このため、補助反射鏡２３０は、コリメータレンズ２２０に取り込まれない照明光を効率良く発光部２０１の方向に反射させるような位置に設けられることが望ましい。上述のように、コリメータレンズ２２０の径と、コリメータレンズ２２０が嵌め込まれている補助反射鏡２３０の開口部の径とは、略同一である。このようにコリメータレンズ２２０の外縁近傍の位置に補助反射鏡２３０が設けられていると、コリメータレンズ２２０の外縁近傍においてコリメータレンズ２２０に取り込まれなかった照明光を発光部２０１の方向に戻して再利用することができる。

ここで、コリメータレンズ２２０の外縁部の位置と、補助反射鏡２３０の外縁部の位置とが略一致する場合の、補助反射鏡２３０の曲率半径ｒと、コリメータレンズ２２０の半径ｄ、開口数ＮＡとの関係について説明する。コリメータレンズ２２０の外縁部と、補助反射鏡２３０の外縁部とは、光軸ＡＸに対して角度θをなす補助反射鏡２３０の曲率半径上の位置において略一致している。このとき、発光部２０１の発光中心位置から、光軸ＡＸに対して角度θの方向に進行する光がコリメータレンズ２２０に取り込まれることから、以下の式が成立する。
ｓｉｎθ＝ｒ／ｄ
コリメータレンズ２２０の開口数ＮＡは、以下の式により求めることができる。
ＮＡ＝１／ｓｉｎθ
従って、式（１）が成立する。
ｒ＝ｄ／ＮＡ （１）
式（１）が成立するとき、補助反射鏡２３０は、コリメータレンズ２２０の外縁近傍においてコリメータレンズ２２０に取り込まれなかった照明光を、発光部２０１の方向に反射させて再利用することができる。

リフレクタ２１０の外縁近傍においてリフレクタ２１０に取り込まれなかった照明光を発光部２０１の方向に戻して再利用するためには、リフレクタ２１０の外縁近傍の位置に補助反射鏡２３０が設けられていることが望ましい。補助反射鏡２３０を、リフレクタ２１０の開口平面Ｓの近傍の位置に設けることにより、リフレクタ２１０の外縁近傍において取り込まれなかった照明光を再利用することができる。以上から、本実施例の補助反射鏡２３０は、コリメータレンズ２２０の外縁近傍の位置から、リフレクタ２１０の開口平面Ｓの近傍の位置までの略全体を覆うように設けられている。

Ｒ光用照明装置１１０Ｒは、発光部２０１と、リフレクタ２１０と、コリメータレンズ２２０と、補助反射鏡２３０とをそれぞれ上述した位置に配置する。発光部２０１の発光中心位置から放射され、コリメータレンズ２２０の方向へ直接進行する照明光は、コリメータレンズ２２０において平行化される。発光部２０１の発光中心位置から供給されてリフレクタ２１０で反射された照明光は、コリメータレンズ２２０で屈折されずそのまま透過する。このようにして、所定の角度範囲の照明光を、効率良くＲ光用液晶表示装置１２０Ｒの照射領域に供給することができる。本実施例のＲ光用照明装置１１０Ｒの発光部２０１にはパッケージを設けないため、発光部２０１の虚像は形成されない。発光部２０１の虚像が形成されないことから、所定の角度範囲の照明光を、Ｒ光用液晶表示装置１２０Ｒの方向に効率良く進行させることができる。

発光部２０１には、パッケージを設けても良い。発光部２０１にパッケージが設けられることにより虚像が形成される場合は、発光部２０１の虚像が形成される位置に、コリメータレンズ２２０の前側焦点位置と、リフレクタ２１０の第１焦点位置と、補助反射鏡２３０の曲率中心位置とを略一致させる。さらに、リフレクタ２１０の第２焦点位置は、パッケージのレンズ効果を考慮して、発光部２０１の像がコリメータレンズ２２０の前側主点位置に略一致する位置に結像されるような位置とする。このようにして照明装置１１０Ｒを構成すると、パッケージのレンズ効果によって発光部２０１の虚像が形成される場合であっても、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させることができる。

また、略楕円形状のリフレクタ２１０を用いると、同一の深さを有する略球面形状のリフレクタを用いる場合と比較して、リフレクタ２１０の開口部の径を小さくすることができる。リフレクタ２１０の開口部の径が小さくなると、径が小さいコリメータレンズ２２０に、リフレクタ２１０からの照明光を入射させることができる。このため、略楕円形状のリフレクタ２１０を用いると、同一の深さを有する略球面形状のリフレクタを用いる場合に比較して、コリメータレンズ２２０を小型にすることができる。

Ｒ光用照明装置１１０Ｒに補助反射鏡２３０を設けることにより、コリメータレンズ２２０及びリフレクタ２１０に取り込まれない照明光を効率良く発光部２０１の方向に戻して再利用することができる。補助反射鏡２３０を設けることにより、補助反射鏡２３０を設けない場合に比較して、発光部２０１からの照明光によって照明対象物を照明する効率を約２割向上させることができる。また、コリメータレンズ２２０が小型であることから、補助反射鏡２３０をコリメータレンズ２２０の外縁近傍の位置に設けても、Ｒ光用照明装置１１０Ｒを小型にすることができる。これにより、照明装置１１０Ｒを小型な構成とし、かつ、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に効率良く進行させることができるという効果を奏する。

補助反射鏡２３０の曲率半径をｒ、コリメータレンズ２２０の半径をｄ、コリメータレンズ２２０の開口数をＮＡとすると、式（１）を満たすような補助反射鏡２３０と、コリメータレンズ２２０とが設けられる。
ｒ＝ｄ／ＮＡ （１）
さらに、補助反射鏡２３０は、コリメータレンズ２２０の外縁近傍の位置から、リフレクタの開口平面の近傍の位置までの略全体を覆うようにして設けられている。これらの条件によって、コリメータレンズ２２０に取り込まれない照明光を効率良く発光部２０１の方向へ戻して再利用することができる。また、補助反射鏡２３０によって、発光部２０１及びリフレクタ２１０からコリメータレンズ２２０の方向に進行する照明光が遮光されることがない。これにより、高い照明効率の照明装置１１０Ｒを構成できるという効果を奏する。

なお、Ｇ光用照明装置１１０Ｇと、Ｂ光用照明装置１１０Ｂとについても、Ｒ光用照明装置１１０Ｒと同様に、小型な構成とすることができる。また、Ｇ光用照明装置１１０Ｇ、Ｂ光用照明装置１１０Ｂについても、Ｒ光用照明装置１１０Ｒと同様に、所定の角度範囲の照明光をＧ光用液晶表示装置１２０Ｇ、Ｂ光用液晶表示装置１２０Ｂに効率良く進行させることができる。各色光用照明装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂから所定の角度範囲の照明光を供給可能であると、投写型表示装置１００の光学系において光がけられることも防止できる。このため、明るい投写像を得られる。

各色光用照明装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂを小型に構成できることから、投写型表示装置１００を小型にできる。また、各色光用照明装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂを小型とすると、照明光の照射範囲も小さくすることができる。照明光の照射範囲を小さくできると、各色光用照明装置１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂによる照明対象である各色光用液晶表示装置１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂを小型にすることもできる。これにより、小型で、かつ明るい投写像の投写型表示装置１００を得られるという効果を奏する。

なお、本実施例では、３つの透過型液晶表示装置に対応してそれぞれ照明装置を組み合わせた投写型表示装置について説明したが、投写型表示装置に照明装置を適用する構成はこれに限られない。例えば、反射型液晶表示装置を用いる投写型表示装置と、本発明の照明装置とを組み合わせても良い。また、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を含む照明光を供給する一つの照明装置と、照明光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離する色分離光学系とを組み合わせて投写型表示装置に用いても良い。この場合、例えば、１つの透過型、又は反射型液晶表示装置と、１つの照明装置とを組み合わせて使用することができる。さらに、空間光変調装置としてティルトミラーデバイスを用いる投写型表示装置にも、本発明の照明装置を適用することができる。本実施例では、照明装置の発光部２０１に用いる固体発光素子として、ＬＥＤを使用しているが、これに限らず、他の固体発光素子、例えば、半導体レーザやエレクトロ・ルミネッセンス（ＥＬ）を発光部２０１に用いても良い。

以上のように、本発明に係る照明装置は、照明光を所定の角度範囲、所定の方向に進行させる場合に有用であり、特に、投写型表示装置に用いられる照明光を供給する場合に適している。

本発明の実施例に係る投写型表示装置の概略構成図。 照明装置の概略構成図。 照明装置の主要な構成要素の配置についての説明図。 発光部からの照明光の進行方向についての説明図。

符号の説明

１００ 投写型表示装置、１１０Ｒ Ｒ光用照明装置、１１０Ｇ Ｇ光用照明装置、１１０Ｂ Ｂ光用照明装置、１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂ フライアイ型インテグレータ、１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ レンズアレイ、１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂ レンズアレイ、１１４Ｒ、１１４Ｇ、１１４Ｂ 偏光変換素子、１１５Ｒ、１１５Ｇ、１１５Ｂ 重畳レンズ、１１６Ｒ、１１６Ｇ、１１６Ｂ フィールドレンズ、１２０Ｒ Ｒ光用液晶表示装置、１２０Ｂ Ｂ光用液晶表示装置、１２０Ｇ Ｇ光用液晶表示装置、１３０ クロスダイクロイックプリズム、１３２ ダイクロイック膜、１３４ ダイクロイック膜、１４０ 投写レンズ、１５０ スクリーン、２０１ 発光部、２０２、２０３ 透明電極、２０４ 透明基板、２０５、２０６ アルミ電極、２０７、２０８ 端子、２１０ リフレクタ、２１３、２１６ モールド樹脂、２２０ コリメータレンズ、２３０ 補助反射鏡、２３３ モールド樹脂、２４０ 基板、ＡＸ 光軸、ｄ 半径、ｆ１ 焦点距離、ｆ２ 第１焦点距離、ｆ３ 第２焦点距離、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 照明光、Ｐ１、Ｐ２ 位置、ｒ 曲率半径、Ｓ 開口平面、Ｔ 頂点、θ 角度

Claims (4)

1. 固体発光素子からなり、照明光を供給する発光部と、
   前記照明光を反射させる略楕円形状のリフレクタと、
   前記発光部から供給され、直接入射した前記照明光と、前記リフレクタの方向に進行し、前記リフレクタで反射されて入射した前記照明光とを、平行化して射出するコリメータレンズと、
   前記発光部からの前記照明光を、前記リフレクタの方向に反射させる略球面形状の補助反射鏡と、を有し、
   前記リフレクタは、前記リフレクタの第１焦点位置と、前記発光部の発光中心位置とが略一致するような位置に設けられ、
   前記コリメータレンズは、前記リフレクタの第２焦点位置と、前記コリメータレンズの前側主点位置とが略一致するような位置であって、かつ、前記コリメータレンズの前側焦点位置と、前記発光部の前記発光中心位置とが略一致するような位置に設けられ、
   前記補助反射鏡は、前記補助反射鏡の曲率中心位置と、前記発光部の前記発光中心位置とが略一致するような位置に設けられていることを特徴とする照明装置。
2. 前記補助反射鏡の曲率半径をｒ、前記コリメータレンズの半径をｄ、前記コリメータレンズの開口数をＮＡとすると、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
   ｒ＝ｄ／ＮＡ
3. 前記補助反射鏡は、前記コリメータレンズの外縁近傍の位置から、前記リフレクタの開口平面の近傍の位置までの略全体を覆うようにして設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 照明光を供給する照明装置と、
   前記照明装置からの前記照明光を画像信号に応じて変調して射出する空間光変調装置と、
   前記空間光変調装置からの光を投写する投写レンズと、を有し、
   前記照明装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置であることを特徴とする投写型表示装置。

Images