JP2007058163A - 光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置 - Google Patents

光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光源から照射される光を、ムラが少なく所定の範囲に効率的に集光・照明し、かつ、小型化・薄型化の可能な光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置を提供する。
【解決手段】複数の発光光源を配置したアレイ光源と、アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、発光光源から発せられた光の指向性を制御する集束性光学素子とを備え、アレイ光源と、発散特性制御手段と、集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、アレイ光源の有効対角長をI、集束性光学素子の焦点距離をfとしたとき、0.067≦I/f<1.1となる光源装置であることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、所定の範囲に効率的に集光照明を行い、かつ、小型・薄型化の可能な光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置に関する。

従来の投射型表示装置では、光源として、高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの放電ランプを用いている。このような放電ランプは大きく、そのため、光源部を含めた光学系全体のサイズも大きくなってしまう。また、光に赤外光が含まれるため大量の熱を周囲に放射することになり、フィルタ類、冷却ファン等が必須で、コスト、サイズ、騒音等問題が多い。

上述したようなランプは白色光であり、カラー表示を行う場合には、光を色の3原色であるR(赤色光),G(緑色光),B(青色光),の3色に色分解し、それぞれの色光について光変調器を設けることになる。そして、光変調器で変調された光を再度色合成して、投射レンズへと導く。そのため、色分解および色合成のためにさらに光学系が大型になってしまう。

また別の方法として、色分解を行わず、カラーフィルターを設けた液晶光変調器1枚で変調を行う方法も知られている。この方法は光変調器の画素数が限られるため、画素数が約1/3になり、高精細な表示を行うことができない。

一方、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を光源として用いた投射型表示装置が近年提案されている。LEDはそれ自体小型であるので、変調速度が早く、フィールド・シークケンシャル方式の表示が可能である。

フィールド・シーケンシャル方式とは、1枚の光変調器を用いてR,G,B,の3色のLEDを時間順次で点灯させ、それに同期させて光変調素子をオン−オフするものである。この方法では、1枚の光変調器で画素数を落とさずにカラー表示を行うことが可能となる。したがって、発光効率が大きく向上し、従来は明るさが不足であった表示装置用照明光源としての可能性が出てきた。しかし、発光効率の向上が実現することができても、より一層明るい表示装置の工夫が求められる。

デジタルプロジェクタ等の表示装置や、この表示装置に使われる光変調装置、照明装置等の一般的な照明光学系に関する従来技術としては、特許文献1から特許文献4、及び、非特許文献1に開示された発明が公知である。非特許文献1では、光源として、高圧水銀ランプや、キセノンランプや、メタルハライドランプ等の白色光ランプが使われるような、一般的な照明光学系装置に関する技術が開示されている。

また、特許文献1には、発光ダイオードを結合レンズのセットからなる光源を複数個ならべ、コンデンサレンズ、インテグレータ、2枚のコンデンサレンズを介してライトバルブを照射する発明が開示されている。

また、特許文献2には、発光ダイオードを光源とし、偏光変換素子アレイを有する照明系で、偏光による光の損失を低減し、小型化と高い照明効率を両立させる発明が開示されている。

また、特許文献3には、反射型の光変調素子を用いた時の表示方式を提供する発明が開示されている。

さらに、特許文献4には、発光ダイオードを照明光源としたプロジェクタ装置の提供で、液晶空間変調器よりも大きなアレイ光源を用い、照明系に縮小光学器を用いて、明るさを向上させる発明が開示されている。
特開2001−343706号公報 特開2002−244211号公報 特開2002−303932号公報 特開平10−301201号公報 「液晶プロジェクタ光学系の効率」光学技術コンタクト、37、pp606−614(1999)

しかし、上述した発明には、以下に述べるような問題があった。

例えば、非特許文献1に開示された技術は、大量の赤外線、すなわち、大量の熱の放射を伴うことになる。また、ダイクロイックミラー/プリズムによる色分解/合成では、いわゆる光の3原色であるR,G,B,の光量バランスが困難で色再現性に限界がある。さらには、装置本体が大型になってしまい、かつ、部品点数が多くなってしまう。

また、LED,LD(Laser Diode:半導体レーザ)などを従来の照明光源の代用として用いる特許文献1に開示された発明は、光源と、光源と一体のレンズと、マイクロレンズアレイと、コンデンサレンズと、インテグレータを構成する2枚のマイクロレンズアレイとコンデンサレンズと、コンデンサレンズと、が前述したこの順番で配置されており、部品点数が多く小型化も制約されてしまう。

さらに、特許文献4に開示された発明は、LED等を照明光源としたプロジェクタ装置を提供するものであり、照明系に縮小光学器を用いて明るさを向上させている。縮小光学器には焦点を持たないアフォーカル系が示されており、入射光束が平行光であれば問題ないが、実際のLED光は配光特性(発散特性)を有しているので、非平行光を有効に利用することが困難である。

このような課題を解決するため、本発明は、光源から照射される光を、ムラが少なく所定の範囲に効率的に集光・照明し、かつ、小型化・薄型化の可能な光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、複数の発光光源を配置したアレイ光源と、アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、発光光源から発せられた光の指向性を制御する集束性光学素子と、を有する光源装置であって、アレイ光源と、発散特性制御手段と、集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、アレイ光源の有効対角長をI、集束性光学素子の焦点距離をfとしたとき、0.067≦I/f<1.1であることを特徴とする。

請求項2に記載の発明は、複数の発光光源を配置したアレイ光源と、アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、発光光源から発せられた光の指向性を制御する指向性制御手段と、集束性光学素子と、を有する光源装置であって、アレイ光源と、発散特性制御手段と、指向性制御手段と、集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、アレイ光源の有効対角長をI、集束性光学素子の焦点距離をfとしたとき、0.2≦I/f<2であることを特徴とする。

請求項3に記載の発明は、複数の発光光源を配置したアレイ光源と、アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、発光光源から発せられた光の指向性を制御する指向性制御手段と、集束性光学素子と、を有する光源装置であって、アレイ光源と、発散特性制御手段と、指向性制御手段と、集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、アレイ光源の有効対角長をI、指向性制御手段と集光性制御手段との合成焦点距離をfcとしたとき、0.067≦I/fc<1.1であることを特徴とする。

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の光源装置において、アレイ光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする。

請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の光源装置において、アレイ光源は、同一の発光波長を有することを特徴とする。

請求項6に記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の光源装置において、アレイ光源のうち少なくとも一つの光源は、発光波長が異なる複数の発光源を有することを特徴とする。

請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれか1項に記載の光源装置において、指向性制御手段はレンズで構成され、レンズは、少なくとも一枚の正レンズ、または、少なくとも一枚のプラスチックレンズであることを特徴とする。

請求項8に記載の発明は、請求項2から6のいずれか1項に記載の光源装置において、指向性制御手段と、集束性光学素子と、はレンズで構成され、レンズは、少なくとも一枚の正レンズ、または、少なくとも一枚のプラスチックレンズであることを特徴とする。

請求項9に記載の発明は、請求項7または8に記載の光源装置において、複数のレンズは、少なくとも一枚がフレネルレンズであることを特徴とする。

請求項10に記載の発明は、請求項1から9のいずれか1項に記載の光源装置において、発散特性制御手段は、微少プリズムの2次元アレイであることを特徴とする。

請求項11に記載の発明は、請求項1から10のいずれか1項に記載の光源装置を備え、各アレイ光源の指向性における中心が交差する箇所の近傍に、光変調素子を配置した光変調装置であることを特徴とする。

請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の光変調装置において、光変調素子は、光変調素子の有する各ピクセルと1対1に対応するマイクロレンズの2次元アレイが、光変調素子の近傍に、かつ、光源装置側に配置されたことを特徴とする。

請求項13に記載の発明は、請求項11または12に記載の光変調装置において、マイクロレンズの2次元アレイは等間隔で配置され、マイクロレンズの配列ピッチは、光変調素子の配列ピッチよりも大きいことを特徴とする。

請求項14に記載の発明は、請求項13に記載の光変調装置において、マイクロレンズの配列ピッチは、中心では光変調素子の配列ピッチと一致し、中止から周辺方向に向かうにつれて配列ピッチがずれることを特徴とする。

請求項15に記載の発明は、請求項11から14のいずれか1項に記載の光変調装置を備え、投射光学系を配置した表示装置であることを特徴とする。

請求項16に記載の発明は、複数の発光光源を配置したアレイ光源と、アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、発光光源と、発光光源から発せられた光が照射される被集光照明面と、が共役である縮小集光光学系と、を有し、縮小集光光学系は、被集光照明面に照射される光量の分布を均一化する光量分布均一化手段を有する集光照明装置であることを特徴とする。

請求項17に記載の発明は、請求項16に記載の集光照明装置において、発光光源と被集光照明面とのうち、縮小共役側がテレセントリックであることを特徴とする。

請求項18に記載の発明は、請求項16または17に記載の集光照明装置において、発光光源は、赤色光と、緑色光と、青色光と、の発光へと切り換え可能であることを特徴とする。

請求項19に記載の発明は、請求項16から18のいずれか1項に記載の集光照明装置において、発光光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする。

請求項20に記載の発明は、請求項16から19のいずれか1項に記載の集光照明装置において、複数の発光光源は、非等間隔で配置されたことを特徴とする。

請求項21に記載の発明は、請求項16から19のいずれか1項に記載の集光照明装置において、複数の発光光源から発せられる光の指向性は、縮小集光光学系の入射瞳へ向かうことを特徴とする。

請求項22に記載の発明は、請求項21に記載の集光照明装置において、複数の発光光源は、入射瞳に対して凹面を向けた曲面上に配置されたことを特徴とする。

請求項23に記載の発明は、請求項16から22のいずれか1項に記載の集光照明装置において、光量分布均一化手段はマイクロレンズアレイであり、マイクロレンズアレイの後段焦点が、縮小集光光学系内の絞りの近傍にて一致するように配置されたことを特徴とする。

請求項24に記載の発明は、請求項16から23のいずれか1項に記載の集光照明装置を備え、集光照明装置の被集光照明面の近傍に2次元空間の光変調器を配置した光変調装置であることを特徴とする。

請求項25に記載の発明は、請求項24に記載の光変調装置において、複数の光変調素子の有する各ピクセルと1対1に対応するマイクロレンズの2次元アレイが、光変調器の近傍に、かつ、アレイ光源側に配置されたことを特徴とする。

請求項26に記載の発明は、請求項24または25に記載の光変調装置において、2次元空間の光変調器は透過型の液晶変調器であり、縮小集光光学系に入射された入射光をP偏光成分とS偏光成分とに分離する分離手段と、分離手段にて分離された偏光成分のうち、いずれか一方を回転させて直線偏光に揃える偏光変換手段とをさらに有することを特徴とする。

請求項27に記載の発明は、請求項24から26のいずれか1項に記載の光変調装置と、投射光学系とが配置され、アレイ光源からの色の発光を所定の時間で切り換える切り換え手段を有する投射型カラー表示装置であることを特徴とする。

請求項28に記載の発明は、請求項27に記載の投射型カラー表示装置において、投射型カラー表示装置は、被集光照明面に照射される光量の分布を均一化するシリンドリカルマイクロレンズアレイをさらに有し、アレイ光源は、シリンドリカルマイクロレンズアレイの長手方向に対して、所定の時間にて複数の色を発光することを特徴とする。

請求項29に記載の発明は、請求項27または28に記載の投射型カラー表示装置において、投射型カラー表示装置に備えられた縮小集光光学系は、複数枚の凸レンズと、少なくとも一枚の凹レンズとを備えてなることを特徴とする。

このように、本発明の光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置によれば、光源から照射される光を、ムラが少なく所定の範囲に効率的に集光・照明し、かつ、より一層装置本体の小型化・薄型化を計ることができる。

上述したように、LEDやLD等は、発光部では電流が流れるため発熱するが、放射される光は単色光または準単色光であり赤外線が含まれない。このため集光部でも、光源から放射される熱を考慮する必要がなく、現在のデジタルプロジェクタが抱える多くの問題が発生しない。また、1個当たりの発光量が小さいので、アレイにして少ない発光量を補うことにより利用範囲が広がる。光源1個1個は小型なので、アレイにしても小型/薄型が維持できる。単色光または準単色光の発光は色再現性を向上させ、色再現範囲を拡大できる。LEDの発光効率は大幅に改良される途上にあり、改良が実現してもより明るい照明方法や照明装置を提供することは有意義である。

以下に、本実施形態の光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は以下に述べるものに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々変更が可能である。

なお、本実施形態において、発散特性(配光特性)とは、発光の角度分布のことであり、例えば、LEDの場合、一般的にその発散特性はランバート分布をすることが知られている。また、本実施形態における指向性とは、発光の強度が最大になる方向のことであり、一般的には発光源と直交している。

[第一実施形態]
図1は、本実施形態の光源装置の一例を示す図である。
図1に示すように、本実施形態の光源装置は、アレイ光源11と、発散特性制御手段12と、指向性制御手段13と、集束性光学素子14と、被照明面15とを備えている。
図1では、発光部分であるLEDチップと一体化して製造されたレンズ部と、マイクロアレイレンズとが、光の発散特性を制御する発散特性制御手段12を構成している。また、指向性制御手段13と集束性光学素子14とは、レンズによって構成されている。

2次元に配置されたアレイ光源11からの光は、発散特性制御手段12で所望の発散特性に変換される。このとき、高い利用効率が必要な場合には、平行光にするよりもやや発散光にする方が好ましい。

本実施形態の光源装置では、この発散特性制御手段12に近接するようにして指向性制御手段13が配置されている。このように配置することで、アレイ光源11が有する発散特性への影響が少なくなり、指向性を主に制御することが可能となる。また、指向性を、光軸に平行な方向から光軸側へと制御することにより、集束性光学素子14を小型化することができるのである。

さらに、本実施形態の光源装置では、指向性制御手段13から所定の距離をおいて、集束性光学素子14を配置する。これら、アレイ光源11と、発散特性制御手段12と、指向性制御手段13と、集束性光学素子14とを介して、被照明面15へと照明を行うことになる。

配置されたアレイ光源11の有効対角長と集束性光学素子14の焦点距離との比は、上限では、光源装置をコンパクトに構成することができる。しかし、周辺に位置する光源から発せられる照明光において、特に、垂直に位置するアレイ光源11からの照明光においては、ズレが大きく被照明面15への均一な照明が困難になる。

したがって、上限付近では、集束性光学素子14を、強い集束性を持つグループと、発散特性を持つグループとの2グループで構成し、両グループを所定の間隔でアレイ光源11側からこの順序に配置する。このように、全体をいわゆるテレフォト型にして集束性を持たせることにより、周辺光源から発せられる照明光が垂直位置から照射される場合でもズレを小さくすることが可能となる。したがって、光源装置のコンパクト化と照明光の均一性とを両立することができる。

一方、下限では、照明光の均一性は良好に補正し易いが、集束性光学素子内のパワー配置を工夫した場合であっても、光源装置のコンパクト化が困難となってしまう。そこで、本実施形態の光源装置では、各発光源のマウント基板や背面に、熱伝導性の良い材料を使用したりヒートシンク等を用いて、発光量の安定化を計っている。

配置されたアレイ光源11の有効対角長Iと集束性光学素子14の焦点距離fとの比の範囲、及び、アレイ光源11の有効対角長Iと指向性制御手段13と集光性制御手段(本実施形態では、集光性光学素子14)の合成焦点距離fcとの比の範囲は、同様に光源装置のコンパクト化と照明光の均一性の両立を成しえる範囲を示すものである。特にこの範囲は、指向性制御手段13を含めた三者、すなわち、アレイ光源11と、指向性制御手段13と、集光性光学素子14との関係を規定するものである。

指向性制御手段13は、集光性光学素子14の役割である、各アレイ光源の出射光を被照明面に集める作用を補助する役割を担っている。したがって、Iとfとの関係が下記式(1)に示す範囲内であり、Iとfcとの関係が下記式(2)の範囲であることが最も望ましい関係である。

0.2≦l/f<2・・・(1)
0.067≦I/fc<1.1・・・(2)

次に、図2は、本実施形態の光源装置の他の一例を示す図である。
図2では、指向性制御手段13を用いない場合を示している。本実施形態の光源装置は、アレイ光源11と、発散性制御手段12と、集光性光学素子141と、被照明面15とを備えている。そして、集光性光学素子141は、図1における指向性制御手段13の機能、すなわち、光の指向性を制御する機能を備えている。

上述したように、LED1個当たりの発光量は小さいものではあるが、近年では、大型ディスプレイバックライト用や自動車のフロントライト用、室内照明用などとして、高輝度LEDの開発が急速に進められている。高輝度LEDの開発方針は、多数個のLEDを用いて明るい光源とするのではなく、1個のLEDの輝度を向上させて、少ない個数でのLEDを用いて明るい光源とする方針である。少ない個数のLEDをもって明るい光源となるのであれば、光学系をより一層シンプルに構成することが可能となる。

つまり、図1において、アレイ光源11からの光源は、指向性制御手段13を用いることによって発散特性制御手段12以降の光の拡がり(発散性)を抑え、集束性光学素子14の大口径化を防いでいた。しかし、アレイ光源11の有効対角長Iが小さくなることで、集束性光学素子14単体でも指向性を制御することができる。これにより、集束性光学素子14を大口径化させずに照明することが可能となる。

なお、本実施形態の構成において、アレイ光源11の有効対角長Iと集束性光学素子14の焦点距離fとの比では、上限では光軸方向において光源装置をコンパクトに構成することができるが、周辺に位置する光源から発せられる照明光においてはズレが大きくなってしまう。上述した図1の場合と比較すると、有効対角長Iは小さくなっているが、その構成を比較すると、指向性制御手段13による補助がなく集光性光学素子14単体で照明を行うため、ズレに対する補正能力が低下している。また、下限においては、照明光の均一性は良好に補正し易いが、光学装置のコンパクト化が困難になってしまう。

したがって、本実施形態において、図2に示すような構成にて指向性を制御する場合には、アレイ光源11の有効対角長Iと集束性光学素子14の焦点距離fと比の範囲を、下記式(3)に示す範囲とすることが最も望ましい関係となる。

0.067≦I/f<1.1・・・(3)

また、本実施形態の光源装置では、アレイ光源11にLEDアレイやLDアレイを用いることができる。LEDの発光では、強度分布に対する半値角度が±60°であり、発散特性制御手段12がLEDと一体化されたものが実現されている。一般的には図3に例示するように、(a)砲弾型(半値角度は±30°)や、(b)DR(Double Reflection)型(半値角度は±10°)や、(c)面実装型(半値角度は±7°)などが知られており、これらを用いることができる。ちなみに、図1や図2では、(a)の砲弾型のLEDに、さらに対応するマイクロレンズを用いて、発散特性を制御している。

一方、LDの発光では、発散特性のアジマスに方向性があるので(光の進行方向に対して平行な方向に発散)、シリンドリカルレンズやアナモフィックレンズ等を対応させることが有効である。

また、アレイ光源11における各光源は、ほぼ同一の発光波長を有するので、本実施形態の光源装置を、単色光を発光するようにすることも可能である。通常、LEDはバッチやロット間のバラツキが大きいので、選別等を行って発光波長を揃えることにより、より一層単色光に近づけることも可能である。

また一方で、アレイ光源11のうちの1つの光源は、発光波長の異なる複数の発光源を有するようにすることも可能である。例えば、上述したR,G,B,の3つの発光源を近接する容易に配置して1つの光源とすれば、R,G,B,を順次点灯させることによりカラー映像を表現するような光源装置を提供することができる。

また、前述したように、本実施形態の光源装置では、指向性制御手段13と集束性光学素子14とが、それぞれレンズで構成されている。少なくとも1枚は正レンズが配置され、また、少なくとも1枚のプラスチックレンズで構成される。前述したように、LEDやLDから放射される光には赤外線が含まれない。

したがって、光による発熱がなく、アレイ光源11付近であってもプラスチックレンズの使用が可能となる。プラスチックレンズは、成形で容易に製造できるので低コスト化が可能となり、また、非球面や特殊面を有するレンズを比較的容易に量産でき、製造されるレンズの均一性をも向上できる。さらに、ガラスレンズに比べて軽量化を計ることも容易である。

また、前述した指向性制御手段13と集束性光学素子14とに適用されるレンズのうち、少なくとも一枚をフレネルレンズにすることもできる。特に、集束性光学素子14にフレネルレンズを用いることは非常に有効である。一般に、集束性光学素子にレンズを用いる場合には、その中心厚が大きくなってしまう傾向が強い。これに対し、本実施形態のように集束性光学素子14にフレネルレンズを用いることで薄型化・軽量化が可能になり、さらには、回折面を併用して、各光源からの照明光における色差を低減することも可能である。

また、発散特性制御手段12に微少プリズムの2次元アレイを用いることで、前述した集束性光学素子14と共同して、各光源の指向性が被照明面15の中心部に一層集光するように制御することも可能である。また、光源装置の薄型化にもつながり、プラスチックで容易に成形可能である。

本実施形態では、前述したような光源装置を用いて、各アレイ光源による指向性の中心が交差する位置の近傍に光変調素子を配置することにより、光変調装置を実現することができる。このとき、光変調装置には、透過型・反射型のどちらでも適用可能である。

また、この光変調装置において、光変調素子の各ピクセルと1対1に対応したマイクロレンズの2次元アレイを、光変調素子に近接した光源装置側に配置する。これにより、光変調素子の有効部分に効果的に集光することが可能となり、照明光の利用効率が増大する。実際には、従来より用いられている偏光変換素子をマイクロレンズアレイと光変調素子との間に配置して、光利用効率をさらに向上させることになる。

このとき、マイクロレンズの2次元アレイにおける配列は等間隔に配置する。また、マイクロレンズの配列ピッチは、光変調素子の配列ピッチよりもやや大きく、かつ、中心部では一致して周辺ほど配列ピッチがずれてゆくように設定する。光変調素子には、透過型の光変調素子を用いることが最も好ましく、各素子を射出する変調された光束の指向性を、光変調素子の配置面に対して、垂直方向から特定の位置に集束するように変更することが可能となる。

さらに本実施形態では、前述した光変調装置を用いて投射光学系を配置した表示装置を提供することも可能である。
一例としては、前述した各光源の発光波長がほぼ同一な照明装置に、R,G,B,の各光源を1個ずつ用いた光変調装置を設置して、この光変調装置からの照明光をダイクロイックミラー等で合成する。すると、明るく高品質な画像の3板式のカラー表示装置を提供することができる。

また、他の例としては、発光波長の異なる複数の発光源を有する照明装置を用いて、光変調装置に一定時間の間隔で、順次R,G,B,の各光源から照射光を照射すると、1板式のカラー表示装置を提供することができる。したがって、表示装置を小型化・軽量化することが可能となり、持ち運びにも便利なハンディサイズにすることもできる。
さらには、一般的な投射レンズに要求されるような高いテレセントリック性を必要とせず、投射レンズの設計を有利にすることが可能となる。

これらの表示装置の一例を、図面を用いて説明する。

図4は、単板式で透過型の型光変調装置を用いた表示装置を示す図である。
ここでは、集束性光学素子として、フレネルレンズ41を用いた場合を示している。
フレネルレンズ41を介して、素子数に対応したマイクロレンズアレイ42と、透過型の光変調素子43と、投射レンズ44と、被表示面45とが、この順番に配置されている。アレイ光源11の各光源には、R,G,B,を発光するチップがそれぞれ配置されており、所定の時間間隔で順次点灯している。この点灯に対応する形でON/OFFする光変調素子43の像を、投射レンズ44を介して被表示面45に投射する。このようにして、被表示面45に高画質なカラー画像が表示されることになる。

また、図5は、3板式で透過型の型光変調装置を用いた表示装置を示す図である。
ここでは、R,G,B,の各色に対応する発光光源を有する、単色光用の照明装置(50R,50B,50G)から光照射が行われている。
ダイクロイックミラー51と、積層型のリターデーションフィルム52と、偏光ビームスプリッタ53,54と、R用の光変調素子55と、G用の光変調素子56と、B用の光変調素子57とを備えている。

そして、R用の光変調素子55とG用の光変調素子56とB用の光変調素子57とは、被照射部が各光変調素子に一致するように配置されている。各色の照明装置から光が照射されるときには、同じ偏光方向(例えば、S偏光)にする。そして、積層リターデーションフィルム52が、Bの光の偏光方向のみを変換する特性を有する。このとき、投射レンズ54に入射する光は、3色ともに同じ偏光方向となるので、光照射による光のロスを最小限にすることができる。

なお、本実施形態では、エリア型の光変調装置を用いて説明したが、リニア型の光変調装置を用いてその投射像に直交する方向に走査する表示装置であっても、同様に適用が可能である。

[第三実施形態]
次に、本実施形態の集光照明装置について、図面を用いて説明する。

本実施形態の集光照明装置は、発光光源を物体とし被集光照明面を像面とするような、共役関係にある縮小集光光学系を用いて縮小結像を行うことが可能である。このようにすれば、原理的には被集光照明面の明るさを、縮率の自乗の逆数倍明るくすることができる。一般のLEDによる発光や、前述したような発散特性を制御するタイプの光源は、発光強度が最大になる方向の指向性が、発光面と直交する方向にある。このとき、縮小集光光学系における拡大共役側が、テレセントリックであることが好ましい。また、被集光照明面に照射される像を均一にするためには、縮小集光光学系の縮小共役側もテレセントリックであることが好ましい。
図6を参照しながら説明する。

図6では、被集光照明面65(10.8×14.4mm)に対し、一辺が3倍の面積(32.4×43.2mm)になるように配置したアレイ光源61を用いて、1/3のサイズに照射されるように縮小する。このとき、面実装型のLED1個を5.4mm角とした場合、6×8個を配置することが可能であり、原理上では、9倍の明るさになるようにする。

本実施形態の縮小集光光学系は、両側がテレセントリックであり、前群62と、絞り63と、後群64とを備えている。そして、前群62の後側の焦点位置に、面実装型のLEDからなるアレイ光源61を配置する。両側をテレセントリックにするために、前群62の前側焦点と、絞り63と、後群64の後側焦点とを一致させる。

本実施形態では、前群62の焦点距離をf1、後群64の焦点距離をf2、としたとき、f2/f1=1/3となるように設定する。すると、対角方向の距離は、光源側が2×27、被照射面が2×9であり、画角ω=25°のとき、f1=58mm、f2=19.3mmとなる。
また、本実施形態のように面実装型の場合、半値角度は±7°であり、図6中では、θ1=7°、θ2=21°となる。

このように、本実施形態の集光照明装置によれば、縮小集光光学系が、被集光照明面に照射される照射光の光量分布を均一化するので、LED等の発光量であっても、明るく鮮明な映像を照射することの可能な集光照明装置を提供することができる。

また、本実施形態の集光照明装置によれば、第一実施形態と同様に、LED等を用いて、複数の発光光源をそれぞれ、R,G,B,へと発光を切り換えるようにすることも可能である。また、被集光照明面に対して、所定の時間間隔ごとに発光色を変更したり、3色の発光時間を同一にせず、中間色を作成したりすることも可能である。

これら複数の発光光源は、非等間隔で配置される。通常ならば、縮小集光光学系が両側テレセントリックの場合であっても、「けられ」等により周辺部の光量が低下してしまうおそれがあるが、本実施形態のように、発光光源を周辺部ほど密になるように配置することで、被照明面の光分布を均一化することができる。逆に、発光光源の中止部を密になるように配置して、光量分布の制御を行うことも可能である。

また、複数の発光光源の指向性は、それぞれ、縮小集光光学系の入射瞳へと向かうように設定されている。発光光源の配置は、平面上で各光源ごとに向きを変更する。このように設定することで、例えば、後述する図7のように、光源側(拡大共役側)のテレセントリックを解消(消去)することも可能である。さらには、図6で大型にした前群を小型化したり、全く別の設計思想に基づく縮小集光光学系を用いることも可能となる。

図7は、縮小集光光学系を、前側に絞り73を有する4枚のレンズのみで形成し、前群を除去して後群74だけにした、すなわち、拡大共役側を除去した場合を示す図である。この場合では、縮小共役側がテレセントリックであり、縮率=−1/2、ω=20°となる。

各アレイ光源71の指向性(主光線の向き)は、前述したように入射瞳に向くように設定されているので、均一な光量分布を行うことができる。また、光源にLED等を使用しているので、赤外光を含まず、熱線を放射することがない。したがって、プラスチックレンズを用いることが可能となり、非球面を使用してもコストアップを抑えることができる。

図7を用いて一例を挙げると、Fナンバ(レンズ系の光取り込み能力を示す指標)が2.0になるように、絞り73の絞り径と、絞り73から被集光照明面75までの焦点距離とを設定する。レンズに非球面を採用した場合であっても、歪曲収差・色収差などをはじめとしていずれも良好な性能を有し、最周辺部においても開口効率は100%であった。また、光量むら・色むら等も極小化することができる。

Fナンバ=2.0となるように設定した場合、絞り73から被集光照明面75までの距離/f2=44、最大有効径/f2=1.1となるので、両側をテレセントリックにする場合と比較しても、集光照明装置を大幅に小型化することができる。

さらに、各アレイ光源を縮小集光光学系の入射瞳から見て凹面を向けた曲面上に配置することにより、前述した効果をより一層得ることができる。

さらに、本実施形態において、被集光照明面の光量分布を均一化する手段として、マイクロレンズアレイを用いることも可能である。図8を参照しながら説明する。

図8は、本実施形態における光量分布の均一化手段として、マイクロレンズアレイを用いた場合を示す図である。
図8に示すように、マイクロレンズアレイ81の後側焦点が、縮小集光光学系内の絞り83の近傍、すなわち、縮小集光光学系の後側焦点位置と一致するように配置されている。縮小集光光学系の役割をコンデンサレンズ84が果たすので、マイクロレンズアレイ81の各マイクロレンズ開口部dを介して、被照明面85で最終的に重ね合わされて、光量むらが低減する。

なお、図8においてマイクロレンズ81は両凸型になっているが、平凸+平凸で形成された非球面のレンズも使用可能である。マイクロレンズは薄い板状に製造できるので、装置の小型化につながる。

さらに、本実施形態の集光照明装置を用いて、被照明面の近傍に2次元空間光変調器を配置する光変調装置を提供することも可能である。非自己発光型の光変調器に適用可能であり、透過型/反射型/回折型等の各種の光変調装置に使用することができる。照明部が小型なので、光変調装置を小型化することができる。

また、この光変調装置に、光変調素子の各ピクセルと1対1に対応したマイクロレンズの2次元アレイを、光変調器に近接したアレイ光源側に配置することにより、光変調素子の開口率を光学的に向上させることが可能となる。図9に示すように、入射光が「けられる」ことなく画素の開口部を通過するので、利用効率が向上して明るい光変調装置を提供することができる。

また、本実施形態の光変調装置においては、被照明面の近傍に配置される2次元空間光変調器は透過型の液晶変調器であり、複数の発光光源からの光を、P偏光成分とS偏光成分とに分離し、そのうち一方の偏光成分を回転させて直線偏光に揃える偏光変換手段を、縮小集光光学系の光路中に配置している。
図10を用いて説明する。

図10は、本実施形態において、前述した偏光変換手段を薄型化した場合の構成を示す一例である。
図10に示すように、本実施形態の偏光変換手段は、第1マイクロレンズアレイ101と、第2マイクロレンズアレイ102と、偏光変換素子103と、偏光分離膜104と、ミラー面105と、位相板106とを備えている。

LEDから発せられる照射光は、P偏光とS偏光とのどちらにも偏光可能なランダムな偏光状態にあり、まず、第1マイクロレンズアレイ101に入射した後、第2マイクロレンズアレイ102へと集光されて、偏光変換素子103に入射される。すると、この入射光は、P偏光とS偏光とに分離される。

ここで、P偏光は、偏光分離膜104をそのまま透過する。透過したP偏光は、さらに、位相板106にて偏光方向が90°回転され、S偏光として射出される。一方、S偏光は、偏光分離膜104にて反射され、さらにミラー面105にても反射された後、S偏光のままで射出される。
なお、第1マイクロレンズアレイ101は、図8にて説明したマイクロレンズアレイ81を用いることも可能である。

このように偏光状態を変調する液晶変調器を用いることによって、光効率の良い光変調装置を提供することができる。

また、本実施形態の光変調装置と、投射光学系と、所定の時間で発光色の切り換え可能なアレイ光源とを用いて、投射型カラー表示装置を提供することが可能となる。
従来の単板式の投射型カラー表示装置では、光の3原色であるR,G,Bの表示色に課題があったが、本実施形態の投射型カラー表示装置では、タイムシーケンシャルに発光時間を切り換えることができるので、単板式であっても明るいカラー表示を行うことが可能となる。
なお、R,G,B,の3色の発光時間は等間隔である必要はなく、カラー表示を行う表示色の再現に応じて適宜変更・決定する。

この投射型カラー表示装置においては、シリンドリカルマイクロレンズアレイを用いて被集光面の光量分布を均一化する。このシリンドリカルマイクロレンズアレイの長辺方向(照射面に対して垂直な方向)で、アレイ光源が所定の時間に複数色の発光を行うので、色のちらつきが低減される。

実際の動作としては、例えば、透過型の液晶変調器における表示を短辺方向(照射面に対して平行方向)に3分割(或いは3の整数倍に分割)し、所定の時間間隔でまず、R,G,B,の順番に表示する。そして、次の表示時間の際には、G,B,R,の順番に、すなわち色走査を行ってカラー表示することになる。

この場合、長辺方向では色むらが少なく1色であり、かつ、短辺方向では色が分離している必要があるが、前述した本実施形態の集光照明装置や光変調装置などを用いれば、長辺方向に対して色むらの低減機能を取り除く(光量分布を均一化しない)ことによって、色走査によるカラー表示を行うことができる。液晶変調器から、長辺方向に対しては均一な光照射を行うことができ、短辺方向に対しては3原色が分離した照明を行うことができるので、色のちらつきが低減する。

なお、本実施形態の投射型カラー表示装置において、縮小集光光学系は、複数枚の凸レンズと少なくとも1枚の凹レンズによって構成されることが好ましい。複数枚の凸レンズは縮小結像を行うために使用され、凹レンズは照射面に平行な方向に対して色分離を行うために使用される。凹レンズは特に、倍率の色収差を低減するために非常に重要であり、ある程度小さなアッベ数を有する凹レンズであることがより好ましい。このようすれば、レンズに非球面を使用することができるので、装置の小型化にも効果的である。
これらを、図11を用いて説明する。

図11は、本実施形態の投射型カラー表示装置において、色走査表示の一例を示す図である。
本実施形態の投射型カラー表示装置においては、アレイ光源111と、シリンドリカルマイクロレンズアレイ112と、絞り113と、縮小光学系114と、偏光変換器115と、マイクロレンズアレイ116と、液晶変調器117とを備えている。

アレイ光源111は、指向性が入射瞳に向かうように配置されており、かつ、照射面に対して平行な方向に3分割されて、R,G,B,の各色として発光する。長辺方向に対しては、各色の帯状3色に発光する。シリンドリカルマイクロレンズアレイ112では、アレイ光源111から照射光されるR,G,B,の各色の光量を均一化する。

シリンドリカルマイクロレンズアレイ112のそれぞれの配置は、後側焦線の入射瞳である絞り113で一致するように配置される。そして、絞り113は前側焦点位置の近傍に配置される。これは、縮小集光光学系114がテレセントリックであるためである。

縮小集光光学系114は、シリンドリカルマイクロレンズ112の長辺方向にアレイ光源111からの縮小像を被集光面に作成するが、短辺方向では、シリンドリカルマイクロレンズアレイ112がインテグレータのような機能を果たすので、照射面に垂直な方向には(短辺方向では)、離散的な光源による光量むら・色むらが低減された、均一な単色の光量分布を行うことができる。また、この縮小集光光学系114は、色収差を補正する必要上、少なくとも1枚の凹レンズが含まれることになる。

アレイ光源111側から被照射面に向かって縮小集光光学系114以後の位置には、偏光変換器115が配置される。偏光変換器115はテレセントリックな光学系なので、この位置に配置することによって照明光の入射角度が大きくならない。また、プラスチックレンズを使用した場合であっても、偏光がプラスチックレンズの内部歪み等によって影響を受けずに済む。

また、結像面である非照明面には、2次元のマイクロレンズアレイ116と液晶変調器117とが配置されている。この液晶変調器117に対して、短辺方向ではR,G,B,の3色に分離した光が、長辺方向では光量むら・色むらが低減された光が、それぞれ照明されることになる。最初の表示時間で、発光源からR,G,B,で発光された照明光が所定の時間後にG,B,R,に変化すると、液晶変調器の照明では、B,G,R,だった照明からR,B,G,へと変化することになる。
このようにして色走査が行われるので、色のちらつきが低減されたカラー表示を行うことが可能となる。

本発明の光源装置、光変調装置、表示装置、集光照明装置、及び投射型カラー表示装置は、液晶プロジェクタ、DMD(Digital Micromirror Device)プロジェクタ等の投影装置や、車載ナビゲータ、各種の表示装置などに適用が可能である。

本実施形態の光源装置の一例を示す図である。 本実施形態の光源装置の他の一例を示す図である。 本実施形態のアレイ光源において、発散(配光)特性を制御したLEDを示す図である。 本実施形態の表示装置において、単板式で透過型の型光変調装置を用いた場合を示す図である。 本実施形態の表示装置において、3板式で透過型の型光変調装置を用いた場合を示す図である。 本実施形態の集光照明装置において、両側がテレセントリックである縮小集光光学系の一例を示す図である。 本実施形態の集光照明装置において、縮小共役側がテレセントリックである縮小集光光学系の一例を示す図である。 本実施形態の集光照明装置において、マイクロレンズアレイを用いて光量分布を均一化した場合の一例を示す図である。 本実施形態の集光照明装置において、マイクロレンズアレイによる開口率の向上を模式的に示す図である。 本実施形態の集光照明装置における偏光変換手段の一例を示す図である。 本実施形態の集光照明装置において、色走査による表示例を示す図である。

符号の説明

11,61,71,111 アレイ光源
12 発散特性制御手段
13 指向性制御手段
14,141 集束性光学素子
15,85 被照明面
41 フレネルレンズ
42,81,116 マイクロアレイレンズ
43 光変調素子
44 投射レンズ
45 被表示面
50R,50G,50B 照明装置
51 ダイクロイックミラー
52 積層型リターデーションフィルム
53,54 偏光ビームスプリッタ
55 R用の光変調素子
56 G用の光変調素子
57 B用の光変調素子
62 前群
63,73,83,113 絞り
64,74 後群
65,75 被集光照明面
84 コンデンサレンズ
101 第1マイクロレンズアレイ
102 第2マイクロレンズアレイ
103 偏光変換素子
104 偏光分離膜
105 ミラー面
106 位相板
112 シリンドリカルマイクロレンズアレイ
114 縮小光学系
115 偏光変換器
117 液晶変調器

Claims (29)

  1. 複数の発光光源を配置したアレイ光源と、
    前記アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、
    前記発光光源から発せられた光の指向性を制御する集束性光学素子と、
    を有する光源装置であって、
    前記アレイ光源と、前記発散特性制御手段と、前記集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、
    前記アレイ光源の有効対角長をI、前記集束性光学素子の焦点距離をfとしたとき、
    0.067≦I/f<1.1
    であることを特徴とする光源装置。
  2. 複数の発光光源を配置したアレイ光源と、
    前記アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、
    前記発光光源から発せられた光の指向性を制御する指向性制御手段と、
    集束性光学素子と、
    を有する光源装置であって、
    前記アレイ光源と、前記発散特性制御手段と、前記指向性制御手段と、前記集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、
    前記アレイ光源の有効対角長をI、前記集束性光学素子の焦点距離をfとしたとき、
    0.2≦I/f<2
    であることを特徴とする光源装置。
  3. 複数の発光光源を配置したアレイ光源と、
    前記アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、
    前記発光光源から発せられた光の指向性を制御する指向性制御手段と、
    集束性光学素子と、
    を有する光源装置であって、
    前記アレイ光源と、前記発散特性制御手段と、前記指向性制御手段と、前記集束性光学素子とが、発光方向に対してこの順番に配置され、
    前記アレイ光源の有効対角長をI、前記指向性制御手段と前記集光性制御手段との合成焦点距離をfcとしたとき、
    0.067≦I/fc<1.1
    であることを特徴とする光源装置。
  4. 前記アレイ光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光源装置。
  5. 前記アレイ光源は、同一の発光波長を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光源装置。
  6. 前記アレイ光源のうち少なくとも一つの前記光源は、発光波長が異なる複数の発光源を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の光源装置。
  7. 前記指向性制御手段はレンズで構成され、
    該レンズは、少なくとも一枚の正レンズ、または、少なくとも一枚のプラスチックレン
    ズであることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光源装置。
  8. 前記指向性制御手段と、前記集束性光学素子と、はレンズで構成され、
    該レンズは、少なくとも一枚の正レンズ、または、少なくとも一枚のプラスチックレンズであることを特徴とする請求項2から6のいずれか1項に記載の光源装置。
  9. 複数の前記レンズは、少なくとも一枚がフレネルレンズであることを特徴とする請求項7または8に記載の光源装置。
  10. 前記発散特性制御手段は、微少プリズムの2次元アレイであることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光源装置。
  11. 請求項1から10のいずれか1項に記載の光源装置を備え、各アレイ光源の指向性における中心が交差する箇所の近傍に、光変調素子を配置したことを特徴とする光変調装置。
  12. 前記光変調素子は、前記光変調素子の有する各ピクセルと1対1に対応するマイクロレンズの2次元アレイが、前記光変調素子の近傍に、かつ、前記光源装置側に配置されたことを特徴とする請求項11に記載の光変調装置。
  13. 前記マイクロレンズの2次元アレイは等間隔で配置され、
    前記マイクロレンズの配列ピッチは、前記光変調素子の配列ピッチよりも大きいことを特徴とする請求項11または12に記載の光変調装置。
  14. 前記マイクロレンズの前記配列ピッチは、中心では前記光変調素子の前記配列ピッチと一致し、中止から周辺方向に向かうにつれて前記配列ピッチがずれることを特徴とする請求項13に記載の光変調装置。
  15. 請求項11から14のいずれか1項に記載の光変調装置を備え、投射光学系を配置したことを特徴とする表示装置。
  16. 複数の発光光源を配置したアレイ光源と、
    前記アレイ光源に対応して配置され各光源の発散特性を制御する発散特性制御手段と、
    前記発光光源と、該発光光源から発せられた光が照射される被集光照明面と、が共役である縮小集光光学系と、
    を有し、
    前記縮小集光光学系は、前記被集光照明面に照射される光量の分布を均一化する光量分布均一化手段を有することを特徴とする集光照明装置。
  17. 前記発光光源と前記被集光照明面とのうち、縮小共役側がテレセントリックであることを特徴とする請求項16に記載の集光照明装置。
  18. 前記発光光源は、赤色光と、緑色光と、青色光と、の発光へと切り換え可能であることを特徴とする請求項16または17に記載の集光照明装置。
  19. 前記発光光源は、発光ダイオードまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項16から18のいずれか1項に記載の集光照明装置。
  20. 複数の前記発光光源は、非等間隔で配置されたことを特徴とする請求項16から19のいずれか1項に記載の集光照明装置。
  21. 複数の前記発光光源から発せられる光の指向性は、前記縮小集光光学系の入射瞳へ向かうことを特徴とする請求項16から19のいずれか1項に記載の集光照明装置。
  22. 複数の前記発光光源は、前記入射瞳に対して凹面を向けた曲面上に配置されたことを特徴とする請求項21に記載の集光照明装置。
  23. 前記光量分布均一化手段はマイクロレンズアレイであり、前記マイクロレンズアレイの後段焦点が、前記縮小集光光学系内の絞りの近傍にて一致するように配置されたことを特徴とする請求項16から22のいずれか1項に記載の集光照明装置。
  24. 請求項16から23のいずれか1項に記載の集光照明装置を備え、該集光照明装置の被集光照明面の近傍に2次元空間の光変調器を配置したことを特徴とする光変調装置。
  25. 複数の光変調素子の有する各ピクセルと1対1に対応するマイクロレンズの2次元アレイが、前記光変調器の近傍に、かつ、前記アレイ光源側に配置されたことを特徴とする請求項24に記載の光変調装置。
  26. 前記2次元空間の光変調器は透過型の液晶変調器であり、
    前記縮小集光光学系に入射された入射光をP偏光成分とS偏光成分とに分離する分離手段と、
    前記分離手段にて分離された偏光成分のうち、いずれか一方を回転させて直線偏光に揃える偏光変換手段とをさらに有することを特徴とする請求項24または25に記載の光変調装置。
  27. 請求項24から26のいずれか1項に記載の光変調装置と、投射光学系とが配置され、
    アレイ光源からの色の発光を所定の時間で切り換える切り換え手段を有することを特徴とする投射型カラー表示装置。
  28. 前記投射型カラー表示装置は、被集光照明面に照射される光量の分布を均一化するシリンドリカルマイクロレンズアレイをさらに有し、
    前記アレイ光源は、前記シリンドリカルマイクロレンズアレイの長手方向に対して、前記所定の時間にて複数の色を発光することを特徴とする請求項27に記載の投射型カラー表示装置。
  29. 前記投射型カラー表示装置に備えられた縮小集光光学系は、
    複数枚の凸レンズと、少なくとも一枚の凹レンズとを備えてなることを特徴とする請求項27または28に記載の投射型カラー表示装置。
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