JP2007178672A - 照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くした照明装置及び投写型画像表示装置を提供する。
【解決手段】複数色の発光素子1R、1G、1Bと、複数色の各発光素子1R、1G、1Bから射出される光束を集光し、複数のレンズ21、22、23、24で構成した集光レンズ系と、集光レンズ系を構成するレンズ21、22、23、24間にダイクロイックミラー3、4を配置した色合成光学系と、集光レンズ系の後段に配置され、第1のレンズアレー5と第2のレンズアレー6とで構成されたインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズ7、8とを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】複数色の発光素子1R、1G、1Bと、複数色の各発光素子1R、1G、1Bから射出される光束を集光し、複数のレンズ21、22、23、24で構成した集光レンズ系と、集光レンズ系を構成するレンズ21、22、23、24間にダイクロイックミラー3、4を配置した色合成光学系と、集光レンズ系の後段に配置され、第1のレンズアレー5と第2のレンズアレー6とで構成されたインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズ7、8とを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置に関する。
従来、大画面映像を表示する装置として、映像信号に応じた画像を表示する小型のライトバルブを照明し、その画像を投写レンズにより拡大投写する投写型画像表示装置が知られている。
投写型画像表示装置の照明光源は、超高圧水銀灯から半導体発光素子である発光ダイオード、レーザが使用されるようになっている。また、ライトバルブには、透過型又は反射型の液晶パネルを用いたものや、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスを用いたものがあり、これらを用いた投写型画像表示装置が実用化されている。以下、従来の投写型画像表示装置の一例について説明する。
図10は、特許文献1に記載された半導体発光素子を光源として用いた投写型画像表示装置の概略構成図である。1Gは緑色半導体発光素子、1Rは赤色半導体発光素子、1Bは青色半導体発光素子である。
20はコリメータレンズであり、各色の半導体発光素子から射出される光を略平行光化する。30は色合成プリズムである。5は第1レンズアレー、6は第2レンズアレーである。第1レンズアレー5及び第2レンズアレー6で形成される構成は、レンズアレー型インテグレータと呼ばれる。
7は第1フィールドレンズ、8は第2フィールドレンズ、9は反射型ライトバルブ、10は全反射プリズム、11は投写レンズである。
次に、動作について説明する。各色の半導体発光素子1G、1R、1Bから射出した緑、赤、青の各光束は、コリメータレンズ20により略平行光化され、合成プリズム30に入射する。
色合成プリズム30で色合成された各色の光束は、第1レンズアレー5に入射し、第2レンズアレー6上には半導体発光素子の光源像ができる。第2レンズアレー6は、第1レンズアレー5から入射した光束を第1レンズアレー5と光学的に共役に配置された反射型ライトバルブ9に、第1フィールドレンズ7及び第2フィールドレンズ8を介在して照明する。
反射型ライトバルブ9により、光学像を形成する変調光が射出される。反射型ライトバルブ9は、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスからなり、駆動回路(図示せず)から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ9に表示された画像は、全反射プリズム10及び投写レンズ11を介して拡大投写されスクリーン(図示せず)に投写される。
特開2004−70018号公報
以上に示した従来の投写型画像表示装置は、例えば反射型ライトバルブのサイズを対角17.8mm相当とすると、照明系のFナンバーが1.7相当では、色合成プリズム30のサイズが50角から60角程度になるため、色合成プリズム30そのもののコストが高くなってしまう問題があった。
色合成プリズム30のサイズが大きくなった場合、コリメータレンズ20は、色合成プリズム30を包括する外径で、集光する角度を大きくするために焦点距離の短いものが必要になる。この場合、コリメータレンズ20の倒れや、コリメータレンズ20の光軸と、第1、第2レンズアレー5、6から投写レンズまでの光軸とのずれ等を防止するには、機構的な保持精度が厳しくなる。
また、コリメータレンズ20の面に非球面形状を用いて収差補正しても1枚では、周辺部に収差が残ることになる。このため、この構成は結果として発光素子と共役になる第2レンズアレー6上の光源像がぼけてしまい、良好な集光効率が取れなくなり現実的でない。
ここで、図11は、図10に示した色合成方式の投写型画像表示装置において、コリメータレンズ20と色合成プリズム30とに倒れが生じた場合を示している。この場合は、第1レンズアレー5に倒れた光線が入射することになる。また、第1レンズアレー5までに光学部材が介在していないため、各色での角度調整をすることができず、その結果、3色の合成光の第1レンズアレー5への入射位置ずれが発生する。さらに、それに応じて第2レンズアレー6上での光源像の位置がずれるために色ムラが大きくなる。
すなわち、図10に示したような投写型画像表示装置は、小型のサイズでは採用し易いが、大型のサイズでは色合成プリズム30が急激に高コストになるとともに、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度が厳しくなるという問題があった。
本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易い照明装置及び投写型画像表示装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成するために、本発明の照明装置は、複数色の発光素子と、前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、前記集光レンズ系の後段に配置され、第1のレンズアレーと第2のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズとを備えていることを特徴とする。
本発明の投写型画像表示装置は、複数色の発光素子と、前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、前記集光レンズ系の後段に配置され、第1のレンズアレーと第2のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズと、前記フィールドレンズから導かれた光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、投写レンズとを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くすることができる。
本発明は、色合成プリズムを用いることなく、ダイクロイックミラーにより色合成光学系を構成し、集光レンズ系を複数枚のレンズで構成している。このことにより、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くすることができる。
前記本発明の照明装置又は投写型画像表示装置においては、前記複数色の発光素子として、赤色、青色、緑色の半導体発光素子を配置していることが好ましい。
また、前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、前記色合成光学系は、前記発光素子側から順に、第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとで構成されており、前記第1のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色の発光素子から射出される緑色の光を透過する分光特性であり、前記第2のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記第1のダイクロイックミラーで色合成された緑色と赤色の光を透過する分光特性であることが好ましい。
この構成によれば、光軸から離れた周辺部において入射角の変化量の少ない第2ダイクロイックミラーの分光特性を、重なる波長帯域がある緑光及び青光のうち、緑光を透過させ青光を反射させる特性にしたことにより、色、輝度のばらつきを小さくし、色ムラ、輝度ムラを抑えることができる。
また、前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、前記色合成光学系は、第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとで構成され、前記第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとがX字状に交差して配置され、前記第1のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記青色の発光素子から射出される緑色と青色の光を透過する分光特性であり、前記第2のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記赤色の発光素子から射出される緑色と赤色の光を透過する分光特性であることが好ましい。この構成によれば、第1のダイクロイックミラーの光軸上と周辺部とでの入射角変化が少なくなるので、色、輝度のばらつきが小さくなり、色ムラ、輝度ムラの発生防止にも有利になる。
また、前記第1のダイクロイックミラー及び第2のダイクロイックミラーの少なくともいずれかは、面内の一方向に光学膜厚を変化させていることが好ましい。この構成によれば、ダイクロイックミラーへの入射角が光軸上から周辺部にかけて一様に変化しても、色ムラ、輝度ムラを防止することができる。
また、前記発光素子と前記ダイクロイックミラーの間に配置された集光レンズの少なくとも1つの面が非球面形状であることが好ましい。この構成によれば、収差補正が容易になる。
また、前記発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子であることが好ましい。
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る投写型画像表示装置の光学系概念図である。1Gは緑色半導体発光素子、1Rは赤色半導体発光素子、1Bは青色半導体発光素子である。半導体発光素子としては、例えば発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、半導体レーザ素子が挙げられる。
図1は、実施の形態1に係る投写型画像表示装置の光学系概念図である。1Gは緑色半導体発光素子、1Rは赤色半導体発光素子、1Bは青色半導体発光素子である。半導体発光素子としては、例えば発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、半導体レーザ素子が挙げられる。
21−24は、各色の半導体発光素子から射出される光を、後述する第1レンズアレー5前段で略平行光化する集光レンズ系である。21は第1集光レンズ、22は第2集光レンズ、23は第3集光レンズ、24は第4集光レンズである。3は第1ダイクロイックミラー、4は第2ダイクロイックミラーである。
5は第1レンズアレー、6は第2レンズアレーであり、第1レンズアレー5と第2レンズアレー6とで形成される構成は、レンズアレー型インテグレータと呼ばれる。7は第1フィールドレンズ,8は第2フィールドレンズ、9は反射型ライトバルブ、10は全反射プリズム、11は投写レンズ、13は全反射ミラーである。
図1において、第1集光レンズ21と第2集光レンズ22は、半導体発光素子1Gと第1ダイクロイックミラー3との間、半導体発光素子1Rと第1ダイクロイックミラー3との間、及び半導体発光素子1Bと全反射ミラー13との間に配置されている。
第3集光レンズ23は、第1ダイクロイックミラー3と第2ダイクロイックミラー4との間、及び全反射ミラー13と第2ダイクロイックミラー4との間に配置されている。
なお、図1の例では、小型化のために、半導体発光素子1Bを集光する第2集光レンズ22と第3集光レンズ23の間に、全反射ミラー13を配置しているが、これを省いた構成であってもよい。
図2は、第1ダイクロイックミラー3の分光特性を示している。図2に示したように、第1ダイクロイックミラー3は、緑を透過させ、赤を反射する特性を有している。
図3は、本実施の形態に係る集光光学系の光路概念図を示している。図3から分るように、緑色半導体発光素子1Gからの光は、第1集光レンズ21から第4集光レンズ24を経て、第1レンズアレー5前段で略平行光化されることになる。このことは、赤色半導体発光素子1R、青色半導体発光素子1Bからの光についても同様である。
図4は、本実施の形態に係る第1ダイクロイックミラー3への光線入射角光路図を示している。図4に示したように、第1ダイクロイックミラー3への光線入射角は、光軸上では45度であるが、第3集光レンズ23に近づく方向(R方向)に離れた周辺部のA点においては45度+α、第3集光レンズ23から遠ざかる方向(L方向)に離れた周辺部のB点においては45度−αである。
ここで、第1ダイクロイックミラー3の光学膜厚が均一であるとすると、光線入射角が45度の光軸上では、図2の分光特性を示すが、R方向に離れ入射角が大きくなるにつれて、図2の分光特性は短波長側にずれることになる。このため、R方向に離れた周辺部のA点においては、緑の一部が反射し緑の透過が不十分になることが起こり得る。
また、L方向に離れ入射角が小さくなるにつれて、図2の分光特性は長波長側にずれることになる。このため、L方向に離れた周辺部のB点においては、赤の一部が透過し赤の反射が不十分になることが起こり得る。
本実施の形態に係る第1ダイクロイックミラー3は、面内の一方向に光学膜厚を変化させている。すなわち、光軸から周辺部側に離れるにつれて変化する入射角度に応じて光学膜厚が変化していることになる。このことにより、入射角度が45度とは異なる周辺部の分光特性を、入射角度45度の光軸上の分光特性にできる限り近づけるようにしている。すなわち、第1ダイクロイックミラー3は、光軸上の分光特性と周辺部の分光特性とが、いずれも図2に示したものと同じになるようにしている。
このように構成することにより、ダイクロイックミラー3への入射角が光軸上から周辺部にかけて一様に変化しても、それに合わせて光学膜厚を変化させているので、色ムラ、輝度ムラを防止することができる。
第2ダイクロイックミラー4は、第3集光レンズ23と第4集光レンズ24との間に配置されている。図5は、第2ダイクロイックミラー4の分光特性を示している。図5に示したように、第2ダイクロイックミラー4は、緑及び赤を透過させ、青を反射する特性を有している。
図6は、第2ダイクロイックミラー4への光線入射角光路図を示している。図6に示したように、第2ダイクロイックミラー4への光線入射角は、光軸上では45度であるが、第3集光レンズ23に近づく方向(R方向)に離れた周辺部のC点においては45度−β、第3集光レンズ23から遠ざかる方向(L方向)に離れた周辺部のD点においては45度+βである。
本実施の形態に係る第2ダイクロイックミラー4は、第1ダイクロイックミラー3と同様に、面内の一方向に光学膜厚を変化させており、光軸から周辺部側に離れるにつれて変化する入射角度に応じて光学膜厚が変化している。このことにより、入射角度が45度とは異なる周辺部の分光特性を、入射角度45度の光軸上の分光特性にできる限り近づけるようにしている。すなわち、第2ダイクロイックミラー4は、光軸上の分光特性と周辺部の分光特性とが、いずれも図5に示したものと同じになるようにしている。
ここで、前記のように第2ダイクロイックミラー3、4は、面内の一方向に光学膜厚を変化させることにより、光軸上の分光特性と光軸から離れた位置における分光特性とのずれを補正している。この補正量は、1nm/1mm程度以下になることが望ましい。この程度の補正量であれば、製造が容易である。
補正量が1nm/1mmのときは、光軸から周辺側に1mm離れた位置における分光特性が、光軸上の分光特性に比べ波長1nm分ずれたものであるとときに、この波長1nm分のずれを補正し、光軸から1mm離れた位置における分光特性を光軸上の分光特性と同じにすることができる。
なお、第2ダイクロイックミラー4に入射する光束は、第3集光レンズ23を経たものである。一方、第1ダイクロイックミラー3に入射する光束は、第3集光レンズ23に入射する前の光束である。このため、第2ダイクロイックミラー4に入射する光束は、第1ダイクロイックミラー3に入射する光束に比べ平行光に近いことになる。
したがって、光軸から離れた位置での入射角の変化量は、第1ダイクロイックミラー3より第2ダイクロイックミラー4のほうが小さいことになる。このため、光学膜厚の変化量も、第2ダイクロイックミラー4のほうが小さいことになる。
このため、第2ダイクロイックミラー4については、必ずしも前記のような面内の一方向に光学膜厚を変化させたミラーを用いなくてもよい場合もある。
このため、第2ダイクロイックミラー4については、必ずしも前記のような面内の一方向に光学膜厚を変化させたミラーを用いなくてもよい場合もある。
図7は、半導体発光素子の分光強度グラフを示している。図7から分るように、半導体発光素子1Gと半導体発光素子1Bの波長帯域で重なる帯域があるが、第1ダイクロイックミラー3の分光特性を図2に示すような特性にした具体的な理由について次に説明する。
集光レンズ系の各レンズ間では、発光素子から射出される光線の主光線がダイクロイックミラーに入射する角度は、光軸から周辺部にかけて変化する。入射角が変化すると光軸で設定したダイクロイックミラーの分光特性がその量に応じて波長シフトする。つまり、発光素子に近い側のダイクロイックミラーでは入射角変化量が大きいために、波長シフト量も多くなる。
本実施の形態では、発光素子に近い第1ダイクロイックミラー3の光軸から周辺部での入射角の変化量が、第2ダイクロイックミラー4よりも大きいので、その入射角の変化量に応じて光学膜厚量を変化させる量も、第1ダイクロイックミラー3の方が大きくなる。また、一般的に膜厚の変化量が大きいほど製造時の制御が難しくなり、ばらつきが大きくなる。
さらに、ダイクロイックミラー製造時の波長公差及び面内のばらつきを完全に抑えることは不可能であるため、このばらつきによる波長シフト量が、入射角変化量に応じて製造した膜厚量のばらつきによる波長シフト量に上積みされる。
つまり、入射角変化量の大きい光路で、波長帯域で重なりをもつ青光、緑光を色合成した時、合成された光線の青光と緑光の強度に偏りが生じ、合成した色及び輝度のばらつきが大きくなる。つまり、図7に示すように重なる波長帯域がある発光ダイオードの緑光と青光を入射角変化の大きい光路で色合成すると色、輝度のばらつきが大きくなり、かつ色むら、輝度むらの原因となる。
一方、図7の緑光と赤光の波長帯域間の600nm付近では2色とも分光強度がほとんどない。入射角度の変化量が大きいことによる膜厚量のばらつきがあっても、前記分光強度の小さい帯域付近で色合成するように構成することで色、輝度のばらつきを小さくし、かつ色むら、輝度むらを抑えることができる。
したがって、入射角の変化量の少ない第2ダイクロイックミラー4に半導体発光素子1Gからの射出光を透過させ、半導体発光素子1Bからの射出光を反射させる特性にしている。
また、第1集光レンズ21及び第2集光レンズ22は、少なくともどちらかの面に非球面の形状を備えた1枚の非球面レンズで構成することもできる。このことにより、収差補正が容易になる。また、集光レンズの枚数は、図1の例に限るものではないが、第1レンズアレー5の前段で略平行光にする必要がある。
ここで、本実施の形態は、集光レンズ系を複数枚のレンズで構成し、各レンズの焦点距離を長くすることにより、色ムラ及び輝度ムラに敏感にならないようにし、部品精度及び保持精度を確保し易くしている。
図10に示した従来例は、半導体発光素子からの射出光をコリメートする短い焦点距離の単レンズ(コリメータレンズ20)の後段に色合成プリズム30を配置した構成である。この構成では、色合成プリズム30が大型部品であることと、コリメータレンズ20の焦点距離が短いことから、部品精度及び保持精度の確保が困難になり、色ムラ、輝度ムラが発生し易くなる。
また、本実施の形態によれば、第1ダイクロイックミラー3の配置角度を微調整することにより、色ムラ、輝度ムラをさらに良好にすることもできる。同様に半導体発光素子1Bからの光路上の全反射ミラー13の配置角度を微調整することにより、色ムラ、輝度ムラをさらに良好にすることもできる。
すなわち、本実施の形態は、大型部品である色合成プリズムを用いることなく、ダイクロイックミラーにより色合成光学系を構成し、集光レンズ系を複数枚のレンズで構成している。このことにより、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くしている。
次に、本実施の形態の動作を図1を参照しながら説明する。各色の半導体発光素子1G、1Rから射出した緑、赤の各光束は、第1集光レンズ21と第2集光レンズ22により集光され、第1ダイクロイックミラー3に入射する。第1ダイクロイックミラー3により、半導体発光素子1Gから射出される緑光と、半導体発光素子1Rから射出される赤光とが色合成され、第3集光レンズ23を介して第2ダイクロイックミラー4に入射する。
一方、半導体発光素子1Bからの射出光は、第1集光レンズ21と第2集光レンズ22により集光され、全反射ミラー13と第3集光レンズ23を介して第2ダイクロイックミラー4に入射する。第2ダイクロイックミラー4により、緑、赤、青が色合成され、第4集光レンズ24で略平行光化される。
色合成された各色の光束は、第1レンズアレー5に入射し、第2レンズアレー6上には半導体発光素子の光源像が分割して形成される。第2レンズアレー6は、第1レンズアレー5から入射した光束を第1レンズアレー5と光学的に共役に配置された反射型ライトバルブ9に、第1フィールドレンズ7及び第2フィールドレンズ8を介在して照明する。
第2レンズアレー6から射出する分割された光線の一つ一つが不均一な照度分布であっても、被照射面すなわち反射型ライトバルブ9上で重畳され、結果として均一性に優れた照明光束を得ることが可能となる。
反射型ライトバルブ9により、光学像を形成する変調光が射出される。反射型ライトバルブ9からの光束は、全反射プリズム10を経て投写レンズ11に至ることになる。そして、投写レンズ11は、反射型ライトバルブ9の形成した光学像を投写することになる。
また、反射型ライトバルブ9は、微細なミラーの集合体であるデジタルミラーデバイスからなり、駆動回路(図示せず)から出力される電気信号によって画像を表示する。反射型ライトバルブ9に表示された画像は、全反射プリズム10及び投写レンズ11を介して拡大投写されスクリーン(図示せず)に投写されることになる。
なお、本実施の形態では投写型画像表示装置の例で説明したが、光の進行順に各色の半導体発光素子から第2フィールドレンズまでの構成を少なくとも備えた装置を照明装置として用いれば、高輝度かつ均一な光を照射できる照明装置を実現できる。このことは以下の実施の形態においても同様である。
(実施の形態2)
図8は、実施の形態2に係る投写型画像表示装置の光学系概念図である。図1に示した投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
図8は、実施の形態2に係る投写型画像表示装置の光学系概念図である。図1に示した投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
図8に示すように、本実施の形態では、図1に示した構成の第1ダイクロイックミラー3の位置を第2ダイクロイックミラー4と同じ位置に配置し、さらに両ミラー3、4を交差させてX字になるように配置している。この構成によれば、第1ダイクロイックミラー3には、第3集光レンズ23を経た光束が入射するので、第1ダイクロイックミラー3の周辺部の入射角変化が少なくなる。このため、光学膜厚の変化量を少なくでき、色ムラ、輝度ムラの発生防止に有利になる。
第1ダイクロイックミラー3の分光特性は、前記のように図2に示しており、実施の形態1と同様に、半導体発光素子1Gから射出した緑の光束を透過し、半導体発光素子1Rから射出した赤の光束を反射する特性である。実施の形態2では、さらに半導体発光素子1Bから射出した青の光束を透過することになる。
また、第2ダイクロイックミラー4の分光特性は、前記のように図5に示しており、実施の形態1と同様に、半導体発光素子1Gから射出した緑の光束を透過し、半導体発光素子1Bから射出した青の光束を反射する特性である。実施の形態2では、さらに半導体発光素子1Rから射出した赤の光束を透過することになる。
また、第1ダイクロイックミラー3は、第2ダイクロイックミラー4の位置で周辺部へ入射する角度に合わせて光軸上の入射角45度での分光特性(図2)と同じになるように光軸から周辺部にかけて光学膜厚を変化させてある。第2ダイクロイックミラー4についても、実施の形態1と同様に、光軸上の分光特性と周辺部の分光特性とが、いずれも図5に示したものと同じになるように光学膜厚を変化させてもよい。
このように構成することにより、ダイクロイックミラーへの入射角が光軸上から周辺部にかけて一様に変化しても、それに合わせて光学膜厚を変化させておくことにより、色ムラ、輝度ムラの発生を防止することができる。
また、第1ダイクロイックミラー3と第2ダイクロイックミラー4とをX字に配置するには、いずれか一方のミラーを2分割し、分割部分にもう一方のミラーを交差させるように配置することになる。この構成では、交差部に空気界面が形成され、交差部の奥行き方向(図8の紙面に垂直方向)に光の通らない部分ができる。この場合、光束の均一性が低下することになる。
しかしながら、本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、第1レンズアレー5及び第2レンズアレー6で構成されるレンズアレー型インテグレータを備えている。このため、前記の通り、第2レンズアレー6から射出する分割された光線の一つ一つが不均一な照度分布であっても、反射型ライトバルブ9上で重畳され、結果として均一性に優れた照明光束を得ることができる。
なお、図8の例では、小型化のために、半導体発光素子1B、1Rを集光する第2集光レンズ22と第3集光レンズ23の間に、全反射ミラー13を配置しているが、これを省いた構成であってもよい。
また、第1集光レンズ21及び第2集光レンズ22は、少なくとも1つの面に非球面を備えた非球面レンズ1枚で構成し、第3及び第4集光レンズ23、24の焦点距離を変化させ、第1レンズアレー5の前段に略平行光化するようにすることで配置面積を小さくし、小型化することもできる。
(実施の形態3)
図9は、実施の形態3に係る投写型画像表示装置の光学系概念図を示している。図1に示した実施の形態1に係る投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
図9は、実施の形態3に係る投写型画像表示装置の光学系概念図を示している。図1に示した実施の形態1に係る投写型画像表示装置と同一構成のものは、同一番号を付してその詳細な説明は省略する。
本実施の形態では、各半導体発光素子1R、1G、1Bと第1集光レンズ21の間にテーパ型ロッドインテグレータ12を備えている。テーパ型ロッドインテグレータ12は、入射する光線の角度が異なれば、テーパ型ロッドインテグレータ12の側面で適宜全反射される回数が異なり、反射光は射出面で混合されることになる。このため、入射面では不均一な照度分布であっても、射出面で重畳され、射出面では均一性に優れた矩形形状の照明光束を得ることが可能となる。
さらに入射する光束の最大角に対応した射出時の光束の最大角度を、テーパ角により制御できる。このため、半導体発光素子から射出される光の集光効率が良好となり、高輝度かつ均一な光を得ることができる。
また、テーパ型ロッドインテグレータ12は、半導体発光素子と密着して構成されていることが好ましい。この構成によれば、さらに集光効率を向上させることができる。
以上のように、本発明によれば、コストの増加を抑えつつ、色均一性及び輝度均一性を良好にするための機構的な保持精度を確保し易くでき、色均一性及び輝度均一性の良好な照明装置や投写型画像表示装置として有用である。
1R 赤色半導体発光素子
1G 緑色半導体発光素子
1B 青色半導体発光素子
3 第1ダイクロイックミラー
4 第2ダイクロイックミラー
5 第1レンズアレー
6 第2レンズアレー
7 第1フィールドレンズ
8 第2フィールドレンズ
9 反射型ライトバルブ
10 全反射プリズム
11 投写レンズ
12 テーパロッドインテグレータ
13 全反射ミラー
20 コリメータレンズ
21 第1集光レンズ
22 第2集光レンズ
23 第3集光レンズ
24 第4集光レンズ
1G 緑色半導体発光素子
1B 青色半導体発光素子
3 第1ダイクロイックミラー
4 第2ダイクロイックミラー
5 第1レンズアレー
6 第2レンズアレー
7 第1フィールドレンズ
8 第2フィールドレンズ
9 反射型ライトバルブ
10 全反射プリズム
11 投写レンズ
12 テーパロッドインテグレータ
13 全反射ミラー
20 コリメータレンズ
21 第1集光レンズ
22 第2集光レンズ
23 第3集光レンズ
24 第4集光レンズ
Claims (14)
- 複数色の発光素子と、
前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、
前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、
前記集光レンズ系の後段に配置され、第1のレンズアレーと第2のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズとを備えていることを特徴とする照明装置。 - 前記複数色の発光素子として、赤色、青色、緑色の半導体発光素子を配置している請求項1に記載の照明装置。
- 前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、前記発光素子側から順に、第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとで構成されており、
前記第1のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色の発光素子から射出される緑色の光を透過する分光特性であり、
前記第2のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記第1のダイクロイックミラーで色合成された緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項1に記載の照明装置。 - 前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとで構成され、
前記第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとがX字状に交差して配置され、
前記第1のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記青色の発光素子から射出される緑色と青色の光を透過する分光特性であり、
前記第2のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記赤色の発光素子から射出される緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項1に記載の照明装置。 - 前記第1のダイクロイックミラー及び第2のダイクロイックミラーの少なくともいずれかは、面内の一方向に光学膜厚を変化させている請求項3又は4に記載の照明装置。
- 前記発光素子と前記ダイクロイックミラーの間に配置された集光レンズの少なくとも1つの面が非球面形状である請求項1に記載の照明装置。
- 前記発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子である請求項1から6のいずれかに記載の照明装置。
- 複数色の発光素子と、
前記複数色の各発光素子から射出される光束を集光し、複数のレンズで構成した集光レンズ系と、
前記集光レンズ系を構成するレンズ間にダイクロイックミラーを配置した色合成光学系と、
前記集光レンズ系の後段に配置され、第1のレンズアレーと第2のレンズアレーとで構成されたインテグレータ光学系と、
前記インテグレータ光学系の後段に配置されたフィールドレンズと、
前記フィールドレンズから導かれた光束を変調し、画像を形成するライトバルブと、
投写レンズとを備えていることを特徴とする投写型画像表示装置。 - 前記複数色の発光素子として、赤色、青色、緑色の半導体発光素子を配置している請求項8に記載の投写型画像表示装置。
- 前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、前記発光素子側から順に、第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとで構成されており、
前記第1のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色の発光素子から射出される緑色の光を透過する分光特性であり、
前記第2のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記第1のダイクロイックミラーで色合成された緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項8に記載の投写型画像表示装置。 - 前記複数色の発光素子は、赤色、青色、緑色の発光素子であり、
前記色合成光学系は、第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとで構成され、
前記第1のダイクロイックミラーと第2のダイクロイックミラーとがX字状に交差して配置され、
前記第1のダイクロイックミラーは、前記赤色の発光素子から射出される赤色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記青色の発光素子から射出される緑色と青色の光を透過する分光特性であり、
前記第2のダイクロイックミラーは、前記青色の発光素子から射出される青色の光を反射させ、かつ前記緑色と前記赤色の発光素子から射出される緑色と赤色の光を透過する分光特性である請求項8に記載の投写型画像表示装置。 - 前記第1のダイクロイックミラー及び第2のダイクロイックミラーの少なくともいずれかは、面内の一方向に光学膜厚を変化させている請求項10又は11に記載の投写型画像表示装置。
- 前記発光素子と前記ダイクロイックミラーの間に配置された集光レンズの少なくとも1つの面が非球面形状である請求項8に記載の投写型画像表示装置。
- 前記発光素子は、発光ダイオード素子、エレクトロルミネセンス素子、又は半導体レーザ素子である請求項8から13のいずれかに記載の投写型画像表示装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005376376A JP2007178672A (ja) | 2005-12-27 | 2005-12-27 | 照明装置及びそれを用いた投写型画像表示装置 |
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JP2011107372A (ja) * | 2009-11-17 | 2011-06-02 | Seiko Epson Corp | 照明装置およびプロジェクター |
JP2011248053A (ja) * | 2010-05-26 | 2011-12-08 | Nikon Corp | 照明光学系及びこの照明光学系を用いたプロジェクタ装置 |
US8840251B2 (en) | 2009-08-25 | 2014-09-23 | Mitsubishi Electric Corporation | Light collecting optical system and projection-type image display apparatus |
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-
2005
- 2005-12-27 JP JP2005376376A patent/JP2007178672A/ja not_active Withdrawn
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