JP2008083526A - 照明装置およびこれを備えた投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを光源部に用いた場合の光利用効率を向上させることができ、液晶プロジェクションディスプレイ装置に使用する場合に十分な明るさを確保し得る照明装置およびこれを備えた投写型画像表示装置を得る。
【解決手段】ＬＥＤ光源部２は、複数の帯状の発光部が互いに略平行かつ略等間隔に配され、かつ該発光部のピッチに対する該発光部の幅の割合が偏光変換部４の窓部のピッチに対する該窓部の幅の割合と略等しくなるように構成されており、レンズ部３は、各発光部の像を各窓部上にそれぞれ結像させるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネルを用いた投写型画像表示装置（液晶プロジェクションディスプレイ装置）等に用いられる照明装置に関し、特に、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源部に用いた照明装置およびこれを備えた投写型画像表示装置に関する。

従来、液晶プロジェクションディスプレイ装置に用いられる照明装置として、光源部からの光束をフライアイレンズおよびＰＳコンバータ（偏光変換アレイ）を用いて効率良く直線偏光化して出射するように構成されたものが知られている（下記特許文献１、２参照）。特に、超高圧水銀ランプを光源部に用いたものは、光源部からの光束の利用効率が高く、極めて明るい照明光が得られる。

一方、近年、指向性の強い光束を出射し得る明るいＬＥＤが開発されており（下記特許文献３参照）、このようなＬＥＤを、投写型画像表示装置用の照明装置の光源部として用いることへの期待が高まっている。しかし、近年開発されたＬＥＤでも、超高圧水銀ランプに比べると発光部の単位面積当たりの出射光量が少ないため、照明装置の光源部として十分な光量が得られるものとするためには、ＬＥＤを複数個配置したり、発光部の面積を広げたりする必要がある。

例えば、下記特許文献４には、アレイ状に配置された複数個のレンズ付きＬＥＤランプからの出力光束を合成することにより、全体としての光量を増大させるように構成された照明装置が開示されている。

特開平１０−１７０８６９号公報 特開２００５−４３４４８号公報 米国特許２００５／０２５８４３５号公報 特開２００４−１８４７７７号公報

しかしながら、複数個のＬＥＤを配置したり発光部の面積を広げたりして光源部全体の光量を増大させても、光源部から出射される光束を効率良く利用できるとは限らない。これは、所定領域の面積と、そこを透過する光束の立体角との積の積分値（この積分値をエタンデュと称する）が、結像関係では保存されるというエタンデュの保存則（クラウジウスの関係）によって説明される。

すなわち、投写型画像表示装置においては、光源部から出射された光束を、照明系を介して液晶パネルやＤＭＤ等のライトバルブに照射し、ライトバルブから出力された、所定の映像情報を担持した光束を、投写系を介してスクリーン上に照射するようにしている。光源部から出射された光束のうち利用できる光束の配光角度範囲は、エタンデュの保存則により、ライトバルブおよび投写系側のエタンデュの大きさによって自ずと限定されてしまうことになる。

近年、コスト低減の要請からライトバルブのパネルサイズが小さくなる傾向にあり、その一方、コントラスト比を高めるために投写系のＦｎｏ．を小さくすることが難しいため、ライトバルブおよび投写系側のエタンデュは小さくなる傾向にある。このため、光源部から出射される光束を効率良く利用するためには、光源部および照明系のエタンデュを小さくすることが重要となる。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ＬＥＤを光源部に用いた場合の光利用効率を向上させることができ、液晶プロジェクションディスプレイ装置に使用する場合に十分な明るさを確保し得る照明装置およびこれを備えた投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る照明装置は、光源部と、複数の帯状の窓部が互いに略平行かつ略等間隔に配されてなる偏光変換部と、前記光源部から出力された光束を前記偏光変換部に入力せしめるレンズ部とを備え、
前記光源部は、複数の帯状の発光部が互いに略平行かつ略等間隔に配され、かつ該発光部のピッチに対する該発光部の幅の割合が前記偏光変換部の前記窓部のピッチに対する該窓部の幅の割合と略等しくなるように構成されたＬＥＤ光源部であり、
前記レンズ部は、前記各発光部の像を略前記各窓部上にそれぞれ結像させるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る投写型画像表示装置は、液晶パネルを用いた投写型画像表示装置であって、本発明に係る上記照明装置と、前記偏光変換部から出力された光束を前記液晶パネルに導くリレーレンズ部と、前記液晶パネルから出力された光束をスクリーン上に投写する投写レンズ部と、を備えてなることを特徴とする。

本発明に係る投写型画像表示装置は、３原色光の各々に対応する前記照明装置が、互いに別個に配置されているものとすることができる。

本発明に係る照明装置においては、複数の帯状の発光部が互いに略平行かつ略等間隔に配されたＬＥＤ光源部からの光束が、レンズ部を介して、複数の帯状の窓部が互いに略平行かつ略等間隔に配されてなる偏光変換部に入力せしめられる。

上記ＬＥＤ光源部は、上記発光部の、ピッチに対する幅の割合が、上記偏光変換部の窓部の、ピッチに対する幅の割合と略等しくなるように構成されており、上記レンズ部は、各発光部の像を略各窓部上にそれぞれ結像させるように構成されている。このため、本発明に係る照明装置によれば、エタンデュを大きくすることなく、ＬＥＤ光源部からの出射光束を効率良く直線偏光化して液晶パネルを照射することが可能となり、この結果、液晶プロジェクションディスプレイ装置に使用する場合に十分な明るさを確保することができる。

また、本発明に係る投写型画像表示装置によれば、本発明に係る照明装置を備えていることにより、スクリーン上に明るい画像を投写することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る照明装置を含む照明光学系の基本構成を示す図であり、図２は図１に示すＬＥＤ光源部の概略構成を示す斜視図である。また、図３は図１に示す偏光変換部の概略構成および作用を示す断面図である。

図１に示す照明光学系は、ライトバルブとしての液晶パネル６を備えた液晶プロジェクションディスプレイ装置に適用されるものであり、本発明の一実施形態に係る照明装置１と、該照明装置１からの光束を液晶パネル６に照射せしめるリレーレンズ部５と、液晶パネル６から出力された光束をスクリーン上に投写する投写レンズ部７とを備えてなる。

上記照明装置１は、ＬＥＤチップにより構成されたＬＥＤ光源部２と、該ＬＥＤ光源部２からの光束を出力するレンズ部３と、該レンズ部３からの光束を直線偏光化する偏光変換部４とを備えてなる。

上記ＬＥＤ光源部２は、図２に示すように、基体２１の表面部（略正方形）に複数（図２では１０本）の帯状の発光部２２を備えてなる。各発光部２２は、互いに略平行かつ略等間隔（ピッチｐ_１）に配されており、それぞれが略同じ幅（ｔ_１）を有するように構成されている。このＬＥＤ光源部２は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色光のうちのいずれかの色光を出射するように構成することが可能であるが、白色光を出射するように構成することも可能である。白色光出射用として構成する場合には、例えば、上記各発光部２２の１つの幅内に、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光をそれぞれ出射する領域を混在させる（各色光発光領域をライン状に並列させる場合を含む）ように構成する。

このようなＬＥＤ光源部２は、各発光部２２の間に所定幅（本実施形態各発光部２２の幅ｔ_１と同じ）のスペース（非発光領域）が形成されているので放熱効果が高く、各発光部２２からの出射光量が温度特性により変化することを抑制することが可能である。なお、各発光部２２の間のスペースを水冷するように構成することも可能である。また、このようなＬＥＤ光源部２は、例えば、前掲の特許文献３に記載された技術を適用して構成することが可能である。好ましくは、各発光部２２から出射される光束の配光角度を小さくするために、各発光部２２にフォトニック結晶を配するようにしてもよい。

次に、上記レンズ部３は、１枚または複数枚のレンズからなる出射用のレンズ系３１と、フィールドレンズ３２とからなり、ＬＥＤ光源部２からの光束を上記偏光変換部４に入力せしめるように構成されている。

また、上記偏光変換部４は、レンズ部３から出射されたＬＥＤ光源部２からの照明光束の偏光方向を揃えるもので、従来よく知られた、偏光ビームスプリッタアレイ（以下「ＰＢＳアレイ」と称す）、およびこのＰＢＳアレイの光出射面（図中右側の面）にストライプ状に配された複数のλ／２位相板４４からなるものである。また、ＰＢＳアレイの光入射面（図中左側の面）には、紙面に対し垂直に延びる複数の帯状の窓部４１が互いに略平行かつ略等間隔（ピッチｐ_２）に配されている。また、各窓部４１はそれぞれが略同じ幅（ｔ_２）を有するように構成されている。なお、各窓部４１の間の部分は内部への光の進入を阻止するように遮光してもよい。

ＰＢＳアレイはその内部に、複数の偏光分離面４２と複数の全反射面４３とが、互いに平行かつ略等間隔で所定方向に交互に形成されている。ランダムな偏光であるＬＥＤ光源部２からの照明光束は、レンズ部３を介して各窓部４１から入射され、偏光分離面４２により偏光方向の異なるＰ偏光とＳ偏光の２種類の偏光に分離される。すなわち、偏光分離面４２を透過することで生成された一方の偏光（図ではＰ偏光）、および偏光分離面４２で反射されることにより生成され、全反射面４３で反射された他方の偏光（図ではＳ偏光）は、互いに略平行な角度でＰＢＳアレイより出射される。偏光分離面４２を透過した一方の偏光は、ＰＢＳアレイの光出射面に配設されたλ／２位相板４４を通過する際に、偏光面の回転作用により他方の偏光と略一致する偏光方向に変換され、最終的には偏光方向の揃った光束が偏光変換部４から出射されることになる。なお、上記各偏光分離面４２における偏光分離効率を高めるために、該偏光分離面４２に入射する照明光束の拡がり角度（集光角度）は、±１０度以内（より好適には±５度以内）となるようにすることが好ましい。

また、上記ＬＥＤ光源部２の各発光部２２のピッチｐ_１に対する該発光部２２の幅ｔ_１の割合（ｔ_１／ｐ_１）は、上記偏光変換部４の各窓部４１のピッチｐ_２に対する該窓部４１の幅ｔ_２の割合（ｔ_２／ｐ_２）と略等しくなるように構成されており（ｔ_１／ｐ_１＝ｔ_２／ｐ_２）、上記レンズ部３は、上記各発光部２２の像を略上記各窓部４１上にそれぞれ結像させるように構成されている。

一方、上記リレーレンズ部５は２つのフィールドレンズ５１，５２を備えてなり、上記投写レンズ部７は２つのレンズ系７１，７２を備えてなる。

図１に示す照明光学系はケラー照明系を構成するものであり、ＬＥＤ光源部２の光源像は、上記偏光変換部４の各窓部４１の配設位置近傍および上記投写レンズ部７の２つのレンズ系７１，７２間の絞り位置または絞り位置の近傍にそれぞれ形成される。上記照明装置１は、上記ＬＥＤ光源部２の各発光部２２の像を上記偏光変換部４の各窓部４１上に、１対１に対応するように結像させるので、偏光変換部４の各窓部４１間に入射して遮光される無駄な光量を大幅に低減することができる。また、上記液晶パネル６および上記投写レンズ部７側のエタンデュが小さい場合でも、上記レンズ部３により取り込む各発光部２２からの光束の取込み角度、および該発光部２２全体の大きさを、上記偏光変換部４への入射光束の入射角度と該偏光変換部４全体の大きさとを最適に選ぶことにより、最も効率的に決めることができるので、スクリーン（リアプロジェクション装置の画像投写面を含む）上に、明るい画像を投写することが可能となる。

次に、本発明に係る投写型画像表示装置の実施形態について、図４および図５を用いて説明する。図４は本発明の一実施形態に係る投写型画像表示装置の概略構成図であり、図５は本発明の他の実施形態に係る投写型画像表示装置の概略構成図である。

図４に示す投写型画像表示装置は、３枚の透過型液晶パネル（ＬＣＤ）８Ｒ，８Ｇ，８Ｂを備えたフルカラー表示の液晶プロジェクションディスプレイ装置を構成するものであり、３原色光の各々に対応する照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが、互いに別個に配置されている。

照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、赤色光を出力するＬＥＤ光源部２Ｒ、緑色光を出力するＬＥＤ光源部２Ｇ、および青色光を出力するＬＥＤ光源部２Ｂをそれぞれ備えてなる。この各ＬＥＤ光源部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの構成および作用は図２に示すＬＥＤ光源部２と同様である。また、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂをそれぞれ含む各色光別の照明光学系の構成および作用についても、図１に示す照明光学系のものと概略同じであるが、赤色光用および青色光用の各照明光学系において、２枚のフィールドレンズ５１，５２の間に反射ミラー１１がそれぞれ配されている点が異なっている。

さらに、各透過型液晶パネル８Ｒ，８Ｇ，８Ｂと投写レンズ部７との間には、クロスダイクロイックプリズム１２が配されている。このクロスダイクロイックプリズム１２は、透過型液晶パネル８Ｒからの色光成分を反射し、その余の色光成分を透過するダイクロイック膜１２ａと、透過型液晶パネル８Ｂからの色光成分を反射し、その余の色光成分を透過するダイクロイック膜１２ｂとを有しており、各透過型液晶パネル８Ｒ，８Ｇ，８Ｂからの各光束を互いに合成して投写レンズ部７に出力するように構成されている。

一方、図５に示す投写型画像表示装置は、３枚の反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）９Ｒ，９Ｇ，９Ｂを備えたフルカラー表示の液晶プロジェクションディスプレイ装置を構成するものであり、３原色光の各々に対応する照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが、それぞれ別個に配置されている。

照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、赤色光を出力するＬＥＤ光源部２Ｒ、緑色光を出力するＬＥＤ光源部２Ｇ、および青色光を出力するＬＥＤ光源部２Ｂをそれぞれ備えてなる。この各ＬＥＤ光源部２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの構成および作用は図２に示すＬＥＤ光源部２と同様である。また、投写レンズ部７の前段にクロスダイクロイックプリズム１２が配置されている点は、図４に示す投写型画像表示装置と同様である。

また、各照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂをそれぞれ含む各色光別の照明光学系の構成および作用は、図１に示す照明光学系のものと概略同じであるが、緑色光の光路と青色光の光路とが互いに交錯する位置に、該２つの光路を分岐する両面全反射ミラー１３が配されている点、および各フィールドレンズ５２の後段に、偏光ビームスプリッタプリズム１４，１５，１６がそれぞれ配されている点が異なっている。この各偏光ビームスプリッタプリズム１４，１５，１６は、内部の偏光分離面１４ａ，１５ａ，１６ａの作用により、リレーレンズ部５を介して入射された、照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの各照明光束を反射して、反射型液晶パネル９Ｒ，９Ｇ，９Ｂにそれぞれ入射せしめるとともに、反射型液晶パネル９Ｒ，９Ｇ，９Ｂからの各投写光束を透過して、クロスダイクロイックプリズム１２に入射せしめるように構成されている。

なお、図４および図５に示す投写型画像表示装置では、３原色光の各々に対応する照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂが、それぞれ別個に配置されているが、白色光を出射するＬＥＤ光源部を備えた照明装置を用い、該照明装置からの白色光を色分解することによりフルカラー表示に対応するように構成することも可能である。この場合には、照明光学系の中にダイクロイックミラー等の色分解手段を配置するような構成とすればよい。なお、このような白色光源を用いた場合の照明光学系としては、例えば、前掲の特許文献２に記載がある。

また、反射型液晶パネルを用いる場合には、白色光をカラークワッドにより色分解する構成とすることも可能である。このカラークワッドは、内部の偏光分離膜がＸ字型となるように配列された４つの偏光ビームスプリッタプリズムと、特定波長域の直線偏光の向きを９０度回転せしめる４つの特定波長偏光変換素子と、２つの偏光板とを備えてなり、白色光を各色光に分離して各反射型液晶パネルに入射せしめるとともに、各反射型液晶パネルからの投写光束を投写レンズ部に入射せしめるように構成されている。なお、このようなカラークワッドを用いた場合の照明光学系としては、例えば、特開２００４−１３３１９５号公報に記載がある。

本発明の一実施形態に係る照明装置を含む照明光学系の基本構成図 図１に示すＬＥＤ光源部の概略構成を示す斜視図 図１に示す偏光変換部の概略構成および作用を示す断面図 本発明の一実施形態に係る投写型画像表示装置の概略構成図 本発明の他の実施形態に係る投写型画像表示装置の概略構成図

符号の説明

１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ 照明装置
２，２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ ＬＥＤ光源部
３ レンズ部
４ 偏光変換部
５ リレーレンズ部
６ 液晶パネル
７ 投写レンズ部
８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ 透過型液晶パネル
９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ 反射型液晶パネル
１１ 反射ミラー
１２ クロスダイクロイックプリズム
１２ａ，１２ｂ ダイクロイック膜
１３ 両面全反射ミラー
１４，１５，１６ 偏光ビームスプリッタプリズム
１４ａ，１５ａ，１６ａ 偏光分離面
２１ 基体
２２ 発光部
３１，７１，７２ レンズ系
３２，４１，４２ フィールドレンズ
４１ 窓部
４２ 偏光分離面
４３ 全反射面
４４ λ／２位相板

Claims (3)

1. 光源部と、複数の帯状の窓部が互いに略平行かつ略等間隔に配されてなる偏光変換部と、前記光源部から出力された光束を前記偏光変換部に入力せしめるレンズ部とを備え、
   前記光源部は、複数の帯状の発光部が互いに略平行かつ略等間隔に配され、かつ該発光部のピッチに対する該発光部の幅の割合が前記偏光変換部の前記窓部のピッチに対する該窓部の幅の割合と略等しくなるように構成されたＬＥＤ光源部であり、
   前記レンズ部は、前記各発光部の像を略前記各窓部上にそれぞれ結像させるように構成されていることを特徴とする照明装置。
2. 液晶パネルを用いた投写型画像表示装置であって、
   請求項１記載の照明装置と、前記偏光変換部から出力された光束を前記液晶パネルに導くリレーレンズ部と、前記液晶パネルから出力された光束をスクリーン上に投写する投写レンズ部と、を備えてなることを特徴とする投写型画像表示装置。
3. ３原色光の各々に対応する前記照明装置が、互いに別個に配置されていることを特徴とする請求項２記載の投写型画像表示装置。
   

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