JP2005221873A - 投写型表示装置の照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の表示パネルに対して照明効率を低下させずに、ロッドインテグレータに入射する光束の立体角を小さくすることができる、高効率で小型の照明光学系を提供する。
【解決手段】照明光学系は、光源部とインテグレータの間に設けられて、第１の光学素子３１と第２の光学素子３２とを有する光束分割器３０を備え、第１の光学素子３１は、収束光７１の収束点と第２の光学素子３２との間に設けられ、入口側から入射した光束７２を広がり角の小さな透過光と広がり角の大きな反射光とに分割する出口側に設けられた傾斜面３１３と、受光した反射光を広がり角の小さな光束として傾斜面３１３に向けて反射する入口側に設けられた反射面３１２とを有し、第２の光学素子３２は、第１の光学素子３１の出口側の傾斜面３１３からの出射光が微小空気間隙３３を隔てて入射する位置に配置された傾斜面と、インテグレータの入射面と対向する位置に設けられた平面部３２１とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は投写型表示装置の照明光学系に関し、特に光束分割器を有する照明光学系に関する。

従来、投写型表示装置に用いられる照明光学系として、ロッドインテグレータを用いた照明光学系が知られている。図７は、従来のロッドインテグレータを用いた照明光学系を説明するための模式図である。この照明光学系は、例えば図７に示すように光源部１１０の光源ランプ１１１、楕円反射鏡１１２で生成した収束光の収束点付近に角柱形状のロッドインテグレータ１２１が配置されて、ロッドインテグレータ１２１の射出面に形成される照明情報が第１のリレーレンズ１４１、第２のリレーレンズ１４２の作用で表示光学系１６２の表示パネル１５０上に結像される構成となっている。ロッドインテグレータ１２１に入射する光束は、ロッドインテグレータ１２１内部の内面反射により、ロッドインテグレータ１２１の射出面では非常に均一な照度分布が得られるので、第１のリレーレンズ１４１、第２のリレーレンズ１４２により結像される表示パネル１５０の面上でも同様に非常に均一な照度分布で照明される（特許文献１参照）。

ところで、このようなロッドインテグレータを用いた照明光学系では、一般にロッドインテグレータに入射角度θの光束が入射したとき、ロッドインテグレータを射出する光束の広がり角度θ’は入射角度θとほぼ同じである。ロッドインテグレータから射出されて表示パネルへ向かう光束の広がり角度θ'は小さいほうが好ましい。これによって、レンズ系や、カラー投写型表示装置の場合に用いられる色分離のための光学部品の大型化を回避することができるからである。

一方、投写型表示装置においては表示パネルが年々小型化する傾向が続いている。これは、表示パネルが小型になることで、装置全体の小型化が達成され、低コスト化もできるためである。小さな表示パネルを効率良く照明しようとしたとき、光束の広がり角度θ’は小さいことが好ましい。一般にロッドインテグレータの射出面の面積は表示パネルの面積に対して小さくなることが多いが、光束の広がり角度が小さいとロッドインテグレータの射出面の像を拡大して表示パネルに結像させる場合に、表示パネルに照射される光束の広がり角を小さくできるからである。従って、表示パネルが小型になったときには、それに応じてロッドインテグレータの射出面も小型にすることが理想である。しかし、ロッドインテグレータでは入射面と射出面の大きさは同じなので、射出面の大きさが小さくなると入射面の面積も小さくなる。入射面の大きさは、光源からの収束光を少ない損失で取り込むだけの面積が最低限必要である。これは、光源部からの光束がいくら収束光とはいえ、一点に収束させることが困難であるためである。従って、入射面の面積の小型化には限界があり、ロッドインテグレータを小型化するのは照明効率を向上させる上で避ける必要がある。

表示パネルを小型化したときに問題となるのが、前述のロッドインテグレータの入射と射出時で光束の立体角がほぼ等しいということから起こる光学系の大型化や効率の低下である。ロッドインテグレータの射出面と表示パネルとは共役となるように光学系を構成する必要があり、ロッドインテグレータ射出時の光束の立体角は小さいことが好ましい。立体角が小さいということは、ロッドインテグレータ射出後の光束の広がり角度が小さいということなので、リレーレンズ等の光学部品を大きくしなくて済む。また、表示パネルへの入射角度も小さくすることができる。特に表示パネルが液晶パネルの場合には、コントラストの均一性を高めることが可能になるので望ましい。また、このことは、投写型表示装置において投写レンズのＦナンバを暗くすることができるので、投写レンズの小型化、低コスト化をもたらす。

そのため、例えば光源からの集光光束の広がり角を制御し被照射領域を均一かつ高効率、高照度で照射するために、テーパー部と平行柱状部を有する柱状光学素子（ロッドインテグレータ）を用いた光源装置が開示されている（特許文献２参照）。また、同じ目的で一端側から入射した光線が繰り返し反射して他端部から出射する導光部と角度補正手段を有するロッドインテグレータが開示されている（特許文献３参照）。
特許２８７８９４４号公報 特開平１１-１４２７８０号公報 特開２００３-２７９７１０号公報

照明光学系を小型化するためには、光源ランプとロッドインテグレータとの間隔をできるだけ接近させて配置することが望ましい。すなわち、楕円反射鏡の第一焦点と第２焦点の間隔を小さくし、第一焦点の近傍に光源ランプを配置する。しかしながら、通常、光源ランプは楕円反射鏡と組み合わせわることで収束光を形成しており、光源ランプとロッドインテグレータとの間隔を接近させて配置することによって、ロッドインテグレータに入射する光束の立体角は大きなってしまう。従って、このような配置で照明系を構成すると、ロッドインテグレータ射出後の光束の広がり角も大きくなってしまい、ロッドインテグレータの後に配置されるリレーレンズの大型化や、表示パネルの画質低下、さらには投写レンズの大型化、コストアップを招き、投写型表示装置の小型化、低コスト化を果たせないという課題があり、この課題は表示パネルが小型になるほど顕著である。従って小型の投写型表示装置の実現に当たっては、光源ランプとロッドインテグレータとの間隔を接近させて配置しながらロッドインテグレータに入射する光束の立体角を小さくすることが重要な課題となる。

本発明の目的は、小型の表示パネルに対して照明効率を低下させずに、ロッドインテグレータに入射する光束の立体角を小さくすることができ、照明光学系と装置とを小型にできる高効率で小型の照明光学系を提供することにある。

本発明の投写型表示装置の照明光学系は、
収束光を投射する光源部と、光源部より投射された光の照度分布を均一化させるインテグレータと、光源部とインテグレータの間に設けられて、第１の光学素子と第２の光学素子とを有する光束分割器とを備え、第１の光学素子は、収束光の収束点と第２の光学素子との間に設けられ、入口側から入射した光束を広がり角の小さな透過光と広がり角の大きな反射光とに分割する出口側に設けられた傾斜面と、受光した反射光を広がり角の小さな光束として出口側に設けられた傾斜面に向けて反射する入口側に設けられた反射傾斜面とを有し、第２の光学素子は、第１の光学素子の出口側の傾斜面からの出射光が微小空気間隙を隔てて入射する位置に配置された傾斜面と、インテグレータの入射面と対向する位置に設けられた光軸に垂直な平面とを有する。

第１の光学素子の出口側に設けられた傾斜面は、光軸を中心とした直円錐状の空間を囲む面、あるいは光軸を中心とした角錐状の空間を囲む面であり、入口側の反射傾斜面は入射光を通過させるための光軸を中心とし光軸に垂直な円形平面の周囲から出口側に向かって所定の傾斜で設けられていてもよく、直円錐状または角錐状の空間の頂点の角度が９０°以下で６０°以上であることが好ましい。

第１の光学素子の入口側の反射傾斜面は、光軸を含む平面との交線が直線であっても、曲線であってもよい。

第１の光学素子の出口側に設けられた傾斜面と第２の光学素子の入口側に設けられた傾斜面との間の微小空気間隙が０．１μｍから１０μｍであることが好ましい。

インテグレータが、角柱形状の光学ガラス製および光学樹脂製のいずれかのロッドインテグレータであっても、４面の反射鏡で構成されるライトトンネルであってもよく、インテグレータが光束分割器の第２の光学素子と一体に形成されていてもよい。

上述の構成とすることで、光源とロッドインテグレータを接近させて配置することによって、光源と楕円反射鏡で形成される収束光の立体角が大きくなっても、ロッドインテグレータから射出する光束の広がり角を軽減することができる。すなわち、光源とロッドインテグレータの配置間隔を短縮することができて小型の照明光学系を提供することが可能となる。

本発明の照明光学系によれば、光源からの収束光束の立体角が大きくとも、光束分割器を設けることによりロッドインテグレータを射出する光束の立体角の増加を招くことなく、表示パネルを効率よく照明できるので、光源とロッドインテグレータとの間隔を接近させて配置することが可能になり、結果として光学系の小型化ができるという効果がある。

本発明の投写型表示装置の照明光学系は、光源部からの収束光をロッドインテグレータに入射させ、そのロッドインテグレータの射出面に形成される照度分布が均一な像を表示パネルに結像させる投写型表示装置の照明光学系であって、ロッドインテグレータの直前に、光源部からの収束光の光束を分割して光束全体の拡散を収束させる光束分割器を配置することを特徴としている。その光束角分割器より分割された、すなわち、広がり角の小さな複数の分割された光束がロッドインテグレータに入射するので、ロッドインテグレータからの射出光束の広がり角が光源部からの収束光の広がり角よりも収束され、小型の表示パネルに対して照明効率を低下させずに、光源とロッドインテグレータの配置間隔を短縮することができ、照明光学系と装置を小型にできる。さらに、光束分割器をロッドインテグレータと一体型とすることで高効率小型のロッドインテグレータが提供される。

次に、本発明の適用される投写型表示装置の照明光学系の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の投写型表示装置の照明光学系の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。

照明光学系６１の光源部１０は光源ランプ１１と楕円反射鏡（リフレクタ）１２とを有する。ロッドインテグレータ２１の入射側には、光束分割器３０が配置されている。ロッドインテグレータ２１の射出側には所定の間隔をおいて第１のリレーレンズ４１および第２のリレーレンズ４２が配置されている。第２のリレーレンズ４２を出射した光束は表示光学系６２の表示パネル５０に入射する。

光源ランプ１１には、高圧水銀ランプが使用されることが好ましい。高圧水銀ランプはアーク長が比較的小さく、高輝度であり多くの光束が発生する。しかしながら、メタルハライドランプやキセノンランプを使用することも可能である。光源ランプ１１と楕円反射鏡１２との組み合わせによって収束光が発生するように、楕円反射鏡１２には楕円形状のものが使用されている。光源ランプ１１が楕円反射鏡１２の第１焦点近傍に配置されていると、光源ランプ１１の光源から放射された光束は、楕円反射鏡１２で反射された後、楕円反射鏡１２の第２焦点付近に収束する。高圧水銀ランプはアーク長が短いので、光源部１０からの収束光の収束点を小さくすることができる。

ロッドインテグレータ２１としては、光学ガラス等の材質の角柱形状のものが使用される。角柱を構成する６つの面は光学的に研磨されていることが望ましい。なお、光学ガラス以外にも樹脂材料からなるものを用いることも可能である。樹脂材料の場合には射出成型等で安価に大量に製造することができる。なお、ロッドインテグレータ２１の代わりに、ライトトンネルと呼ばれる４つの長方形の鏡を直角に貼り合わせて構成したものを利用してもよい。ライトトンネルはロッドインテグレータと同様の光学的な効果をもつ。ロッドインテグレータの入射および射出面の形状としては、表示パネルのアスペクト比と相似とすることが好ましい。

次に本発明の特徴である光束分割器３０について図２および図３を用いて構成を説明する。図２は本発明の適用される光束分割器の構成を説明するための模式的断面図である。説明を簡単にするために、図２は図示のｙ−ｚ断面の平面図となっている。実際には、図２に示される平面図をｚ軸周りに３６０度回転させて得られる立体形状を有しており、光軸７０に垂直な断面は円形あるいは長方形のいずれであってもよい。光束分割器３０は第１の光学要素３１と第２の光学要素３２の２つの要素から構成される。

各々の光学要素を構成する材料としては光学ガラスが好適である。コストを優先するならＢＫ７等の安価な光学ガラス材料を使用すればよい。また、これ以外の材料を使用することも可能である。また、２つの光学要素３１、３２は同一の屈折率を有する材料でなくとも構わない。そしてこの２つの光学要素３１、３２は微小空気間隙３３を隔てて配置されていることが望ましい。微小空気間隙３３の間隔としては０．１μｍ〜数μｍが好ましい。

光源に近い側の第１の光学要素３１は、光源からの光束が第１の光学要素３１の内部に入射できるように、光軸７０と垂直な平面部３１１を有している。この面は透明であることが好ましい。また、反射防止のためのＡＲコートがされていることが好ましい。さらにまた、この面の大きさは使用する光源ランプ１１のアーク長および楕円反射鏡１２の焦点距離等により、適当な大きさに決定される。形状は円形のほか矩形であっても構わない。

さらに、第１の光学要素３１は透明な平面部分３１１とつながった反射面３１２を有している。反射面としてはアルミニウムの薄膜を蒸着形成することにより得られる。アルミニウムの薄膜以外でもＡｇやＣｕ等の反射率の高い金属薄膜を蒸着しても構わない。反射面３１２は入射した反射光が光軸７０に対して平行に近い光束となるように所定の曲率を有する曲面であることが好ましいが平面であっても構わない。

第１の光学要素３１の第２の光学要素３２と対向する面は、その光軸上に頂点を光源側に向けた角錐または円錐状の空間によって規定される透明な傾斜面３１３となっている。この角錐または円錐形状の頂点の角度を所定の角度にすることによって、入射光束の立体角を複数に分割することが可能になる。また、全反射を利用して光束を分割しているので、反射時に起こる光の損失が抑制される。第１の光学要素３１の形状としては、各交点をＦ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌとしたとき、辺ＦＬ＝辺ＬＫで∠ＦＬＫ＝∠ＢＣＤ（第２の光学要素３２）となることが好ましい。

第２の光学要素３２は、そのｙｚ断面が野球のホームベース状の形をしており、各辺の交点をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとするなら、辺ＡＥが光軸７０に垂直である。また、交点Ｃが光軸と略一致するよう配置されていることが好ましい。さらにまた、辺ＢＣ＝辺ＣＤであることが好ましく、∠ＢＣＤとしては、９０度よりも小さいことが好ましい。すなわち、辺ＢＣおよび辺ＣＤは光軸となす角が４５度以下であることが好ましく、辺ＢＣ、辺ＣＤ、辺ＡＥを含む面にはＡＲコーティングされていることが望ましい。

次に図３を参照して光束分割器３０の動作について説明を行う。図３は本発明の適用される光束分割器の動作を説明する模式的断面図である。説明を簡単にするために、図２同様ｙ−ｚ断面図で示してある。光源ランプ１１および楕円反射鏡１２で構成される光源部１０からの収束光７１は、光束分割器３０の第１の光学要素３１の、光軸７１と垂直な平面部３１１に向けて入射する。収束光７１の収束点としては、平面部３１１の近傍が望ましい。平面部３１１に入射して第１の光学要素３１の内部に進入した収束光７１の光束７２は、発散しながら光軸７０に対してＶ字状に構成された傾斜面３１３に達する。ここで、全反射の条件を満足する光束成分７３は傾斜面３１３で反射し、全反射の条件を満足しない光束成分７４は第１の光学要素３１の傾斜面３１３から外部へ射出する。この光束成分７４は、その直後、微小空気間隙３３を通過して第２の光学要素３２へ進入する。そして第２の光学要素３２の内部を進行し平面部３２１に達した後ロッドインテグレータ２１の入射面に向けて第２の光学要素３２から射出される。

一方、全反射した光束成分７３は進行方向を第１の光学要素３１の入射側の方向に変えるものの、反射面３１２に到達した際に反射作用を受けて進行方向が第２の光学要素３２側に反転する。この光束成分７３は反射面３１２によって反射された後では、光線の角度が傾斜面３１３に対して全反射の条件を満足しない角度に変換されており、すなわち、光軸７０となす角が小さいものとなっており、この光束成分７３は傾斜面３１３より外部に射出されることが可能である。この光束成分７３は、その後微小空気間隙３３を通過して第２の光学要素３２に進入し、内部を進行し平面部３２１よりロッドインテグレータ２１の入射面に向けて射出される。

ここで、第１の光学要素３１のＶ字状の傾斜面３１３で全反射されない光束成分７４は、光源部１０からの収束光７１の光束に対して、その立体角が小さいことは明らかである。また、全反射された光束成分７３の立体角も光源部１０からの光束３０１の立体角に比べれば小さいことは明らかである。しかも、この光束成分７３は、光軸７０となす角が比較的小さく第２の光学要素３２内部を進行しながら射出する。すなわち、光束分割器３０を経由して外部に射出される光束は、入射するときの立体角よりも小さい立体角の光束に変換されたことになる。しかも、光量の損失はほとんど起こっていない。

次に図４に基づき、照明光学系の動作について説明する。図４は本発明の適用される照明光学系の動作を説明する模式的断面図である。光源ランプ１１および楕円反射鏡１２で形成された図３に符号７１で示される収束光は、光束分割器３０へ入射する。そして光束分割器３０から射出された後、近接して配置されているロッドインテグレータ２１へ進入する。そしてロッドインテグレータ２１内を内面反射を伴いながら進行し、射出端面より射出される。その後所定の間隔で配置される第１のリレーレンズ４１および第２のリレーレンズ４２を通過して表示光学系６２の表示パネル５０を照明する。ロッドインテグレータ２１の射出面は均一な照度分布となっているので、この照明情報が結像された表示パネル５０の面上は均一性の高い照明状態となる。また、光束分割器３０の動作で説明したように、光束分割器３０への収束光７１の入射光束の立体角をθとすれば、光束分割器３０からの射出光束の立体角は収束されており、その収束された光束がロットインテグレータ２１に入射するので、ロットインテグレータ２１の射出光束の立体角θ’はθよりも小さなものとなっている。

次に、本発明の適用される投写型表示装置の照明光学系の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図５は本発明が適用される投写型表示装置の照明光学系のロッドインテグレータと光束分割器の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。第１の実施の形態では、光束分割器３０とロッドインテグレータ２１とが独立して構成されているが、第２の実施の形態では、図５に示すように、光束分割器の第１の光学要素３４と第１の実施の形態の光束分割器３０の第２の光学要素３２がロッドインテグレータ２１と一体化した光束分割器の第２の光学要素３５とで構成されている。このように光束分割器の第２の光学要素にロッドインテグレータの機能を持たせたことにより部品点数を削減することができる。

次に、この照明光学系を用いた投写型表示装置の構成例を図６に示す。図６は本発明の投写型表示装置の照明光学系の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。第１の実施の形態と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。ここでは表示パネル５０の時分割による色合成を行うためのカラーホイールを備えた構成の例で説明する。光源ランプ１１および楕円反射鏡１２で形成される収束光は、光束分割器の第１の光学要素３４に入射する。ここで光束分割された光束がロッドインテグレータと一体化された第２の光学要素３５の内部を進行し、均一化された光束となって第２の光学要素３５から射出される。このときに射出される光束の広がり角度は入射した収束光の広がり角度より収束されている。第２の光学要素３５の直後にはカラーホイール４３（周知の従来技術）が配置されており、ここでＲ−Ｇ−Ｂの繰り返しの色光が選択される。また、ロッドインテグレータと一体化した第２の光学要素３５の射出端面の照明情報がそれらの選択された色光で第１のリレーレンズ４２および第２のリレーレンズ４２を経由して表示パネル５０に結像される。表示パネル５０が液晶パネルの場合には表示パネル５０の前後には偏光板が配置されるが図では省略してある。表示パネルに形成される画像が投写レンズ６０により拡大されて不図示の投写対象物に表示される。

本発明の投写型表示装置の照明光学系の第１の実施の形態の構成を示す模式図である。 本発明の適用される光束分割器の構成を説明するための模式的断面図である。 本発明の適用される光束分割器の動作を説明する模式的断面図である。 本発明の適用される照明光学系の動作を説明する模式的断面図である。 本発明が適用される投写型表示装置の照明光学系のロッドインテグレータと光束分割器の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。 本発明の投写型表示装置の照明光学系の第２の実施の形態の構成を示す模式図である。 従来のロッドインテグレータを用いた照明光学系を説明するための模式図である。

符号の説明

１０、１１０ 光源部
１１、１１１ 光源ランプ
１２、１１２ 楕円反射鏡
２１、１２１ ロッドインテグレータ
３０ 光束分割器
３１ 第１の光学素子
３２ 第２の光学素子
３３ 微小空気間隙
３４ 光束分割器の第１の光学要素
３５ 光束分割器の第２の光学要素
４１、１４１ 第１のリレーレンズ
４２、１４２ 第２のリレーレンズ
４３ カラーホイール
５０、１５０ 表示パネル
６０ 投写レンズ
６１、１６１ 照明光学系
６２、１６２ 表示光学系
７０、１７０ 光軸
７１ 収束光
７２ 光束
７３、７４ 光束成分
３１１ 平面部
３１２ 反射面
３１３ 傾斜面
３２１ 平面部

Claims (10)

1. 収束光を投射する光源部と、
   前記光源より投射された光の照度分布を均一化させるインテグレータと、
   前記光源部と前記インテグレータの間に設けられて、第１の光学素子と第２の光学素子とを有する光束分割器とを備え、
   前記第１の光学素子は、前記収束光の収束点と前記第２の光学素子との間に設けられ、入口側から入射した光束を広がり角の小さな透過光と広がり角の大きな反射光とに分割する出口側に設けられた傾斜面と、受光した前記反射光を広がり角の小さな光束として前記出口側に設けられた傾斜面に向けて反射する入口側に設けられた反射傾斜面とを有し、
   前記第２の光学素子は、前記第１の光学素子の出口側の前記傾斜面からの出射光が微小空気間隙を隔てて入射する位置に配置された傾斜面と、前記インテグレータの入射面と対向する位置に設けられた光軸に垂直な平面とを有する、投写型表示装置の照明光学系。
2. 前記第１の光学素子の出口側に設けられた前記傾斜面は、光軸を中心とした直円錐状の空間を囲む面であり、入口側の前記反射傾斜面は入射光を通過させるための光軸を中心とし光軸に垂直な円形平面の周囲から出口側に向かって所定の傾斜で設けられている、請求項１に記載の投写型表示装置の照明光学系。
3. 前記第１の光学素子の出口側に設けられた前記傾斜面は、光軸を中心とした角錐状の空間を囲む面であり、入口側の前記反射傾斜面は入射光を通過させるための光軸を中心とし光軸に垂直な円形平面の周囲から出口側に向かって所定の傾斜で設けられている、請求項１に記載の投写型表示装置の照明光学系。
4. 前記第１の光学素子の出口側に設けられた傾斜面を規定する前記光軸を中心とした錐体状の空間の頂点の角度が９０°以下で６０°以上である、請求項２または請求項３に記載の投写型表示装置の照明光学系。
5. 前記第１の光学素子の入口側の前記反射傾斜面は、前記光軸を含む平面との交線が直線である、請求項２または請求項３に記載の投写型表示装置の照明光学系。
6. 前記第１の光学素子の入口側の前記反射傾斜面は、前記光軸を含む平面との交線が曲線である、請求項２または請求項３に記載の投写型表示装置の照明光学系。
7. 前記第１の光学素子の出口側に設けられた傾斜面と前記第２の光学素子の入口側に設けられた傾斜面との間の前記微小空気間隙が０．１μｍから１０μｍである、請求項２または請求項３に記載の投写型表示装置の照明光学系。
8. 前記インテグレータが、角柱形状の光学ガラス製および光学樹脂製のいずれかのロッドインテグレータである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の投写型表示装置の照明光学系。
9. 前記インテグレータが、４面の反射鏡で構成されるライトトンネルである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の投写型表示装置の照明光学系。
10. 前記インテグレータが前記光束分割器の前記第２の光学素子と一体に形成されている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の投写型表示装置の照明光学系。

Images