JP2008032907A - 画像表示装置、投射型画像表示装置、及びリアプロジェクションテレビ - Google Patents

Abstract

【課題】光変調装置上での照度ムラが少なく、光源からの出射光を光変調装置全体に効率よく照射することができる画像表示装置、投射型画像表示装置、及びリアプロジェクションテレビを提供する。
【解決手段】一または複数の発光素子と、発光素子に対応して配置され、発光素子からの出射光を集光する少なくとも一の光学部品で構成されるコンデンサーレンズ系と、コンデンサーレンズ系で集光された出射光により照射され、出射光を変調する光変調装置と、を有する画像表示装置において、コンデンサーレンズ系を構成する少なくとも一の光学部品は、少なくとも１面の非球面を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、画像表示装置、投射型画像表示装置、及びリアプロジェクションテレビに関する。

近年、ノートブック型パソコンに代表されるように、様々なモバイル機器の小型・軽量化が進み、機器の持ち運びが簡便になったことから、プロジェクタを用いたプレゼンテーションが広く普及しており、プロジェクタの小型・軽量化も進められている。しかし、現在のプロジェクタに通常利用されるハロゲンランプやメタルハライドランプなどの光源ランプは、比較的大型で重いものである。そこで、ハロゲンランプやメタルハライドランプに換わる光源ランプとして、発光ダイオード（light emitting diode：以下、ＬＥＤという）が挙げられている。

近年、ＬＥＤの開発は活発に行われており、ＬＥＤ素子の発光効率が急速に改良されつつあり、従来最も高効率といわれている放電タイプの高圧水銀ランプや蛍光灯ランプの発光効率を越えるのは時間の問題と言われている。ＬＥＤは、一般的に長寿命、高効率、高耐Ｇ性、単色発光などの利点を有しており、多くの照明分野への応用が期待されている。

ＬＥＤを光源に用いたプロジェクタ装置（投射型表示装置、画像投射装置）は以下のように種々提案されている。
例えば、特許文献１に示されるように、発光素子アレイ・フライアイレンズ・リレーレンズ・液晶パネル・投射レンズ系からなるものがある。また、特許文献２に示されるように、発光素子アレイ・マイクロレンズアレイ・縮小光学器ダイクロイックミラー・２次元マイクロ偏向ミラーアレイ・投射光学系からなるものがある。さらに、特許文献３に示されるように、発光素子アレイ・偏光変換素子・ダイクロイックプリズム・偏向ビームスプリッタ・液晶ライトバブル・投射光学系からなるものがある。
特開２００１−２４９４００号公報 特開平１１-３２２７８号公報 特開２００２−２４４２１１号公報

上記従来技術例において、プロジェクタの照明装置部分に注目した場合、特許文献１では発光素子の出射光を直接フライアイレンズに入射させている。また、特許文献２では、発光素子の出射光をマイクロレンズアレイによって整形しているものの、整形後は、光束幅を絞っただけで、そのまま２次元マイクロ偏向ミラーアレイに導光している。

一般にＬＥＤの出射光は、図１において、各矢印の長さで示すように、出射角度ごとの放射強度が異なり、この強度分布は配光分布と呼ばれている。上記特許文献１，２の構成を用いた場合、ＬＥＤの配光分布特性が、液晶パネルや２次元マイクロ偏向ミラーアレイ上で照度ムラとなって表れることは明白である。例えば、特許文献１の構成で、光源に砲弾型ＬＥＤを用い、出射光の指向性を高め光の発散度を下げる事で配光分布特性の影響を下げたとしても、フライアイレンズのＮＡ（開口数）が小さくなりすぎてしまい、光変調装置である液晶パネル全体を照らすことができない。

また、特許文献３では、光利用効率と小型化を目指しているが、照度ムラについては検討されていない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、光変調装置上での照度ムラを少なくし、光源からの出射光を光変調装置全体に効率よく照射することができる画像表示装置、投射型画像表示装置、及びリアプロジェクションテレビを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、一または複数の発光素子と、発光素子に対応して配置され、発光素子からの出射光を集光する少なくとも一の光学部品で構成されるコンデンサーレンズ系と、コンデンサーレンズ系で集光された出射光により照射され、出射光を変調する光変調装置と、を有する画像表示装置において、コンデンサーレンズ系を構成する少なくとも一の光学部品は、少なくとも１面の非球面を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、光変調装置は、コンデンサーレンズ系と、コンデンサーレンズ系により発光素子の出射光が集光される集光点との間に配置されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、発光素子とコンデンサーレンズ系とは一組の照明装置であり、光変調装置は、複数の照明装置によって照明されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、発光素子が複数の場合は、少なくとも、赤色の出射光を発光する赤色発光素子、緑色の出射光を発光する緑色発光素子、青色の出射光を発光する青色発光素子の３つの発光素子を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、コンデンサーレンズ系と光変調装置との間に、クロスダイクロイックプリズムを有することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、コンデンサーレンズ系と光変調装置との間に、少なくとも１枚のリレーレンズを有することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置と、画像表示装置で結像された画像光を投射するための投射光学系と、を有することを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置と、画像表示装置で結像された画像光を投射するための投射光学系と、投射光学系からの画像光が投影される画像表示スクリーンと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、構成が簡単で、照度ムラの無い、小型の画像表示装置を形成することが可能となる。また、光源にＬＥＤを用いることで、従来のプロジェクタに比べて、省電力を達成することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明は、発光素子であるＬＥＤと、少なくとも１つの光学部品から構成されるコンデンサーレンズ系と、コンデンサーレンズ系を構成する光学部品のうち少なくとも１つには少なくとも１面の非球面を備えることによって、コンデンサーレンズ系に所望の球面収差を発生させ、ＬＥＤの配光分布特性を打ち消すことを特徴とするものである。

上述したように、ＬＥＤの出射光は、図１の各矢印の長さで示すように、出射角度ごとの放射強度が異なる。例えばランバート分布と呼ばれる配光分布においては、ＬＥＤの正面方向の放射強度に対して角度θ傾く毎に、放射強度はcosθ倍される。つまり、例えば図２に示すように、ランバート分布のＬＥＤ１を無収差レンズの物体側焦点に配置し、平行光で光変調装置３を照明した場合、光変調装置３上の照度分布は、図の点線部分のように、中央から周辺に向けて山なりになる。

しかし、実際のレンズは収差特性を有しており、照度分布はこの通りでない。本発明のコンデンサーレンズ系は、図３に示すような、軸外光が近軸像点よりもコンデンサーレンズ側で光軸と交わるような球面収差特性を与える。

このような球面収差特性を与えることで、図４に示すように、コンデンサーレンズ系と集光点の間に光変調装置を配置した場合に、光変調装置を照明する光線の、隣接する光線間隔は、光軸から離れるにしたがって密になる。

よって、ＬＥＤの配光分布が、図４に示すように一様分布であった場合に、光変調素子上の照度は、中心から周辺に行くにしたがって高くなる。

本発明は、以上述べたような、配光分布によって周辺光量が落ちる特性と、球面収差によって周辺光量が上がる特性を組み合わせることによって、光変調素子上の照度を一様にするものである。

なお、コンデンサーレンズ系に少なくとも一面の非球面が必要な理由は、球面収差を所望の特性にしようとした場合に、レンズ設計のパラメータを増やそうとすると、レンズ枚数増加は必至である。しかし、照明光が通過するレンズ枚数が増えることは、照明光量減少・光学系大型化・コスト増に繋がり、望ましいものではない。非球面によって、球面収差コントロールのパラメータを増やすことは、これら（特に光利用効率）の面で必須要素である。

以上説明したような画像表示装置を用いた投射型表示装置でカラー表示を行う方法は種々考えられる。大別すると、ライトバルブを細工することでカラー表示を行う方法と、光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合してカラー表示を行う方法である。
ライトバルブを細工する方法には、例えば、
〈１〉カラーフィルターを用いる方法
〈２〉一個のマイクロレンズに赤/緑/青の３個のサブピクセルを対応させる方法（テレビジョン学会技術報告ＶＯＬ．１９，ＮＯ．８，ＩＤＹ９５−４１）
があるが、明るさや解像度を犠牲にするものである。

光源を含んだ照明光学系で複数の色光を混合する方法としては、各ＬＥＤがライトバルブ全体を照明しているので、
〔１〕赤／緑／青それぞれのチップを一つの素子中に含んだＬＥＤを用いる方法。
〔２〕赤／緑／青、それぞれの色を出射するＬＥＤを配列し、ライトバルブ上で混色する方法。
〔３〕赤／緑／青、各色のＬＥＤごとに配列し、赤色の面光源、緑色の面光源、青色の面光源を作り、それぞれの出射光をクロスダイクロイックプリズム等で混色する方法。
がある。

以下、本発明に係る画像表示装置及び投射型画像表示装置の実施例として、具体的な構成について説明する。

実施例１の投射型画像表示装置は、図５に示すように、ＬＥＤ１、コンデンサーレンズ系（コリメータレンズ４、非球面レンズ５）を一組として構成された照明装置を赤色・緑色・青色のそれぞれ一組ずつと、光変調装置３と、投射レンズ６と、を有して構成される。

図５において、緑色照明装置を光変調装置３に対して正面に配置し、赤色照明装置及び青色照明装置を光変調装置３に対してそれぞれ角度±αだけ傾けて配置した。このような自由度の高いレイアウトが可能なのはＬＥＤ照明ならではであり、従来の光源（ハロゲン灯やキセノン灯）では非常に困難である。ただし、角度αは、少なくとも投射レンズ６のＮＡ（開口数）よりも小さい必要がある。

なお、図５では、光変調装置（光変調素子）３として透過型液晶素子を想定しているが、ＤＭＤや反射型液晶素子を用いても良い。

このように、本実施例の投射型画像表示装置は、カラー表示を目的として、赤色・緑色・青色の３色光源を用いているものであり、各ＬＥＤ１から時間順次に出射される各色光の出射タイミングに同期して、光変調装置３を時分割駆動することで、単板の光変調装置であっても、カラー表示が可能になる。

実施例２の投射型画像表示装置は、図６に示すように、ＬＥＤ１、コンデンサーレンズ系（コリメータレンズ４、非球面レンズ５）を一組として構成された照明装置を赤色・緑色・青色のそれぞれ一組ずつと、光変調装置３と、各色照明装置の出射光束を光変調装置３上で１つに束ねるリレーレンズ７と、投射レンズ６と、を有して構成される。

実施例１で述べたように、ＬＥＤを光源に用いることで、照明系のレイアウト自由度は非常に高まる。しかし、平面基板上にＬＥＤを配列しなければならない場合がある。本実施例では、そのような場合に対応するために、図６に示すように、各照明装置をアレイ状に配列し、アレイ状に配列した各照明装置と光変調装置３との間にリレーレンズ７を配置する。この時、リレーレンズ７の焦点距離を、リレーレンズ７と光変調装置３の間隔と略等しくすれば、光変調装置３上で各色光束がちょうど重なる。

実施例３の投射型画像表示装置は、図７に示すように、ＬＥＤ１、コンデンサーレンズ系（コリメータレンズ４、非球面レンズ５）を一組として構成された照明装置を赤色・緑色・青色のそれぞれ一組ずつと、光変調装置３と、クロスダイクロイックプリズム８と、投射レンズ６と、を有して構成される。

投射型画像表示装置を小型化しようとした場合、投射レンズの小型化が重要であるが、この場合、投射レンズのＮＡ（開口数）を暗くすれば、比較的簡単に小型化が達成できる。しかし、実施例１，２で示したように、実施例１，２と同じ照明系で投射レンズのＮＡを下げると、必要な色光が表示画面に届かなくなり、画像が成立しなくなる。そこで、本実施例の投射型多画像表示装置は、図７に示すように、クロスダイクロイックプリズム８を利用することで、赤色・青色の（クロスダイクロイックプリズム出射後の）照明光路を、緑色の光路と等しくする。これにより、投射レンズ６のＮＡを暗くしても、必要な色光を表示画面に導くことが可能となる。

実施例４は、図８に示すように、実施例１〜３のいずれかの投射型画像表示装置１０と、背面ミラー９と、スクリーン１１と、を有するリアプロジェクションテレビである。リアプロジェクションテレビを薄型化するには、反射型のoff-axial光学系を利用することが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、構成が簡単で、照度ムラの無い、小型の画像表示装置を形成することが可能となる。また、光源にＬＥＤを用いることで、従来のプロジェクタに比べて、省電力を達成できる。

以上、本発明の実施例について説明したが、上記実施例の記載に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

ＬＥＤの出射光の配向分布を示す図である。 ＬＥＤの出射光の配向分布がランバート分布である場合を示す図である。 ＬＥＤの出射光に球面収差特性を与えた場合を示す図である。 ＬＥＤの出射光の配向分布が一様分布である場合を示す図である。 本発明の実施例１である投射型画像表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施例２である投射型画像表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施例３である投射型画像表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施例４であるリアプロジェクションテレビの構成を示す図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ（発光素子）
２ コンデンサーレンズ
３ 光変調装置
４ コリメータレンズ
５ 非球面レンズ
６ 投射レンズ（投射光学系）
７ リレーレンズ
８ クロスダイクロイックプリズム
９ 背面ミラー
１０ 投射型表示装置
１１ スクリーン

Claims (8)

1. 一または複数の発光素子と、該発光素子に対応して配置され、該発光素子からの出射光を集光する少なくとも一の光学部品で構成されるコンデンサーレンズ系と、該コンデンサーレンズ系で集光された出射光により照射され、該出射光を変調する光変調装置と、を有する画像表示装置において、
   前記コンデンサーレンズ系を構成する少なくとも一の光学部品は、少なくとも１面の非球面を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記光変調装置は、前記コンデンサーレンズ系と、前記コンデンサーレンズ系により前記発光素子の出射光が集光される集光点との間に配置されることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記発光素子と前記コンデンサーレンズ系とは一組の照明装置であり、
   前記光変調装置は、複数の照明装置によって照明されることを特徴とする請求項１又は２記載の画像表示装置。
4. 前記発光素子が複数の場合は、少なくとも、赤色の出射光を発光する赤色発光素子、緑色の出射光を発光する緑色発光素子、青色の出射光を発光する青色発光素子の３つの発光素子を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記コンデンサーレンズ系と前記光変調装置との間に、クロスダイクロイックプリズムを有することを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
6. 前記コンデンサーレンズ系と前記光変調装置との間に、少なくとも１枚のリレーレンズ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項に記載の画像表示装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置と、
   前記画像表示装置で結像された画像光を投射するための投射光学系と、
   を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の画像表示装置と、
   前記画像表示装置で結像された画像光を投射するための投射光学系と、
   前記投射光学系からの画像光が投影される画像表示スクリーンと、
   を有することを特徴とするリアプロジェクションテレビ。

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