JP3704928B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶プロジェクタ装置の光源として用いられる照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は例えば１枚の液晶パネルを用いた単板式液晶プロジェクタ装置の光学系の一構成例を示す摸式図である。
ランプ４０は例えば楕円型のリフレクタ４０ａを有しており、発光部４０ｂから出射された光線を前方に反射する。また、図示は省略するが例えば放物面リフレクタを有したランプを用いて、その前方にコンデンサレンズ等の集光手段等を配置して集光することも知られている。
ランプ４０から出射した光線（ＲＧＢ）はリレーレンズ系４１を介してフィールドレンズ４２に入射する。リレーレンズ系４１には図示していないが集光用の格子が設けられており、この格子を通過する像が仮想光源とされフィールドレンズ４２に入射する。
【０００３】
フィールドレンズ４２はリレーレンズ系４１から入射した光線を平行光として出射することができるようにされており、すなわちリレーレンズ４１とフィールドレンズ４２によってテレセントリック系を形成している。
フィールドレンズ４２から平行光として出射された光線は色分離部４３によってＲＧＢ各色に分離される。色分離部４３は赤色光のみを反射するダイクロイックミラー４３Ｒ、緑色光のみを反射するダイクロイックミラー４３Ｇ、青色光のみを反射するダイクロイックミラー４３Ｂによって構成され、フィールドレンズ４２から入射する光線に対して水平方向に例えば約４５°程度の角度を有して配置されている。各ダイクロイックミラー４３（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は、後述する液晶パネルによって形成される画像の水平ラインと同方向に発散して出射するように、それぞれ所定の煽り角δを有して配置されており、ここで反射された各色光は発散角２δで出射することで色分離が行なわれる。
【０００４】
色分離部４３で分離された各色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）は、光線に対して例えば水平方向に例えば約４５°の角度を有して配置されている全反射ミラー４４で反射されて、例えば偏光板４５、液晶パネル４６、偏光板４７等からなる液晶パネル部４８に入射する。液晶パネル４６は図示していない経路から供給される駆動信号によって画素を形成している液晶を駆動して、偏光板４５を介して入射した各色光の透過を制御して光変調を行なう。そして液晶パネル部４８で光変調されたＲＧＢ各色の光線は偏光板４７を介して投影レンズ４９で拡大されてスクリーン５０に映し出される。
なお、全反射ミラー４４は光学系の小型化を考慮して配置されているので、図示した構成においては必ずしも必要ではない。したがって、色分離部４３で分離された各色光を直接液晶パネル部４８に入射するように構成することも可能である。
【０００５】
ここで、図１２の摸式図にしたがい、液晶パネル４６の構成及びＲＧＢ各色光の光路を説明する。
液晶パネル４６の入射面には、例えば高精細パネルに対応するために液晶を駆動するＴＦＴ（Thin Film Trangister）基板の対向基板内、すなわち液晶部６１の前段にマイクロレンズ６２ａ、６２ａ、６２ａ・・・が形成されているマイクロレンズアレー６２が形成されている。そしてマイクロレンズ６２ａで集光されたＲＧＢ各色光線は液晶部６１で光変調されブラックマトリクス６３、６３、６３・・・の間隙とされる画素Ｐから出射して画像を形成する。
なお、この図では、一例として１個のマイクロレンズ６２ａに入射するＲＧＢ各色光について示している。また、距離Ｆはマイクロレンズ６２ａの焦点距離（主点〜焦点）、距離ｄはマイクロレンズ６２ａの主点から画素の出射部分までの距離を示している。
【０００６】
色分離部４３で分離されたＲ光（破線）、Ｇ光（実線）、Ｂ光（一点鎖線）はそれぞれ相互に２δの角度を以てマイクロレンズ６２ａに入射し、当該マイクロレンズ６２ａに対応している画素Ｐに集光されて出射することになる。
すなわち、図示は省略するが各マイクロレンズ６２ａ、６２ａ、６２ａ・・・にそれぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光が入射すると、一つの画素Ｐに対してそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの各色光が集光して合成されるようになる。したがって、液晶パネル４６にカラーフィルタを設ける必要なく、カラー画像を形成することができるようになる。
【０００７】
このように、液晶部６１の前段にマイクロレンズアレー６２を設けることによって、集光効率を増加することができ、さらにカラーフィルタを用いない場合の吸収率の減少による実効開口率の向上が図られる。
さらにプリズムなどの光学素子を用いた色合成も必要としないので、例えばＲＧＢ各色に対応した３枚の液晶パネルを用いて、ランプからの光を各色毎に分離した後に光変調を行なった後に、各色光を合成してカラー画像を形成する３板式液晶プロジェクタ装置と比較しても、遜色のない輝度を得ることが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、画像の輝度を向上するために、ランプから出力される光を有効に利用することが考えられている。通常、ランプから出射される光は直交する２種類の偏光面を有しており、これらの偏光面は一般的にＰ偏光成分（以下、Ｐ波という）とＳ偏光成分（以下、Ｓ波という）に分けることができる。すなわち、偏光変換手段を用いることで、ランプから出射されるランダム偏光波（Ｐ波＋Ｓ波）から、Ｐ波とＳ波を分離した後に例えばＳ波をＰ波に変換して、Ｐ波のみにより画像を形成することで、光の利用効率を図っている。
【０００９】
例えば３板式液晶プロジェクタ装置では、ランプから出力される光をムラなく有効に利用するためのインテグレータや、光の偏光成分を変換する偏光変換手段を用いた光学系が知られている。このような３板式液晶プロジェクタ装置の光学系では、各色光の合成を利用して画像を形成しているので、平行光を利用する必要性はない。
【００１０】
しかし、図１１、図１２で説明した単板式液晶プロジェクタ装置においては、マイクロレンズ６２ａに対する光の入射角度が制約されるため、色分離部４３に入射する光は平行度が要求される。このため、インテグレータや偏光変換手段などを用いると、その構造上、色分離部４３などの被照射面に対して平行光を照射することが困難である。さらに、インテグレータと偏光変換手段を組み合わせて利用すると光量アップを図ることができるが、光の平行度を得ることができないという問題がある。
【００１１】
また、従来の液晶プロジェクタ装置では、例えばリフレクタ４０ａやフィールドレンズ４１などの構成上などの理由により、平行光をそのまま液晶パネル部４８に照射すると、ほぼ円形とされるランプの照射領域に対して、例えば液晶パネルの画像形成領域は表示画像に対応して例えば４：３アスペクト比の長方形とされている。すなわち、画像形成領域以外の部分（例えば液晶パネルの外枠など）に照射される光は画像形成には利用されることなく無駄なものとなっていた。
【００１２】
また、ここで利用されない光は、形成される画像の輝度に寄与しないばかりか、装置筐体の内部に熱を発生させる原因にもなるので、冷却手段（大型のファンなど）を備える必要が生じてくる。これにより、コストがかかるとともにプロジェクタ装置自体が大型化してしまう。
【００１３】
また、偏光変換手段の出射部の面積は例えば液晶パネルなどの面積と同等に形成されるが、入射部はその構造などの理由から出射部の例えば１／２程度の面積とされている。すなわち、ランプからの光が液晶パネルよりも狭い面積で形成されている入射部に対して効率良く入射することは困難であるという問題がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような問題点を解決するために、少なくとも、ランプから出射した光を光変調して画像を形成する光変調手段と、前記光変調手段で形成された画像を投射する投射手段と、を備えた表示装置に用いられる照明装置として、前記ランプから出射される光の照射領域が、前記ランプの開口部より小さく集光された平行光として出力する集光手段と、遮光マスク間に形成された入射部より入射した前記集光手段からの光を第一の偏波光及び第二の偏波光に分離した後に、前記第二の偏波光を前記第一の偏波光に変換して所定方向に幅が広げられた光束として出力する偏光変換手段と備え、前記集光手段による照射領域の径は前記入射部の対角線の長さに対応し、前記偏光変換手段から出力された光束の前記所定方向の幅は前記光変調手段の水平又は垂直方向の幅に対応しているように構成する。
【００１５】
本発明によれば、ランプの開口部の径よりも小さい領域に対応した平行光を形成することができる。したがって、従来では利用することができなかった領域の光を有効に利用することができ、例えば液晶パネルなどの被照射面に対して効率良い照射を行なうことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は第一の実施の形態の照明装置の構成例を説明する摸式図である。ランプ１は放物面で構成されるリフレクタ２内に発光部３が配置されている。そして発光部３から出射した光はリフレクタ２の内面で反射され、その開口部から例えば平行光として前方に出射される。リフレクタ２の開口部は例えばφａとされる径で構成され、すなわちリフレクタ２から出射される光は径φａとされる領域を照明することが可能とされる。ランプ１の前方には集光用の凸レンズとして集光レンズ４が配置され、リフレクタ２から出力された光を凹平レンズ５の入射面に集光させるようにしている。凹平レンズ５は集光レンズ４からの光を、例えば径φｂとされる領域に照射することができる平行光に変換して出射することができるようにされている。
【００１７】
ここで、集光レンズ４をｆ１（ｆ１＞０）、凹平レンズ５をｆ２（ｆ２＜０）とした場合、これらのレンズが距離Ｌをおいて配置されている場合、
ｆ１−Ｌ＝−ｆ２
及び
ｆ１＞Ｌ
の二つの式を満たすことにより、近軸領域でアフォーカルとなり平行光を出射することができる。すなわち、凹平レンズ５は集光レンズ４の焦点距離よりも手前に配置されることになる。
【００１８】
凹平レンズ５から出射される平行光の径φｂは後述するように、例えば液晶パネルなどの被照射面の対角線に相当する長さとされる。これにより、凹平レンズ５によって被照射面に対する効率の良い照射領域とされる光を形成することが可能になる。すなわち、集光レンズ４及び凹平レンズ５としては、ランプ１からの光を被照射面の対角線とほぼ同等の径とされる平行光に変換することができるように構成される。
【００１９】
このように、ランプ１から出射された平行光を集光レンズ４によって凹平レンズ５に集光して、さらに凹平レンズ５により再び平行光に変換することで、光量を失うことなくリフレクタ２の径φａよりも小さい径φｂとされる領域を照明することができる平行光を形成することができる。
【００２０】
図２は図１に示した径φａ、φｂとされる光束と、この光束によって照射される例えば液晶パネルなどの被照射面の面積の関係を説明する図である。
図２（ａ）は径φａとされる光束の照射領域６と被照射面７を示しているが、この図からわかるように、ランプ１から径φａで出射される光の照射領域６は被照射面７に対して広いので、まず集光レンズ４によって凹平レンズ５に集光される。
そして、凹平レンズ５により、図２（ｂ）に示されているように径φｂとされる照明領域８を形成する。これにより照明領域８の径φｂと被照射面７の対角線とほぼ一致するようにされ、図２（ａ）に示した場合に対して無駄になる光を低減して光の利用効率を向上を図ることができる。
【００２１】
図３は被照射面を、例えばＰ波をＳ波に変換することができるように構成されている偏光変換ブロックの入射部とした場合の例を説明する図である。
この図に示されている偏光変換ブロック１０は、例えばガラスなどの透明部材を組み合わせた構造とされ、図示していない集光レンズ４、凹平レンズ５から出射されるＰ＋Ｓ波の光（黒塗り矢印）を、Ｐ波（一点鎖線矢印）とＳ波（破線矢印）に分離して、その後Ｓ波をＰ波に偏光するようにされている。
【００２２】
偏光変換ブロック１０の入射部１１の水平方向（矢印Ｈ）の幅Ｔａは図２（ｂ）に示した被照射面６における長手方向の幅Ｔａに対応している。この幅Ｔａは図示していない被照射面とされる液晶パネルの長手方向の１／２の幅とされる。入射部１１の外側には、偏光変換ブロック１０では必要とされない光を遮断するために例えばミラーなどによって構成されるマスク１２、１２が設けられている。
【００２３】
入射部１１から入射したＰ＋Ｓ波は偏光分離手段とされる偏光ビームスプリッタ１３によってＰ波とＳ波に分離され、Ｐ波は偏光ビームスプリッタ１３を透過して直進してそのまま偏光変換ブロック１０から出射される。一方Ｓ波は偏光ビームスプリッタ１３で反射されてミラー１４、１４に到達する。そしてこのミラー１４、１４によって前方に反射され、λ／２板１５、１５を通過することでＰ波に変換されて出射される。したがって、偏光変換ブロック１０の出射部１６からは、例えばＰ波のみが出射されることになる。
【００２４】
出射部１６は、例えばその水平方向の幅が入射部１１の約２倍（２Ｔａ）とされ、入射部１１に入射したときの約２倍の面積で例えばＰ波を出射することができるようにされている。また出射部１６の面積は、例えば液晶パネルなどの被照射面の面積に対応しているので、この出射部１６から効率の良い出射を行なうことで、画像の輝度を向上することができる。
このように、偏光変換ブロック１０は入射した光の偏光面を、図示されていない液晶パネルに構成されている偏光板の特性に対応するように揃えて、入射時の約２倍の面積で出射することができるようにされている。
【００２５】
本発明では、このように構成されている偏光変換ブロック１０の前段に例えば図１に示した集光レンズ４、凹平レンズ５を配置することにより、ランプ１からの光の照射領域を縮小して入射部１１付近に集中させて、従来マスク１２、１２によって遮断されていた光も入射部１１に導くことができるようになる。
【００２６】
図４（ａ）は偏光変換ブロック１０の入射部１１と、ランプ１の照射領域の関係を摸式的に示す図である。なお、図４は矢印Ｈを例えば水平方向として示し、上記した偏光ビームスプリッタ１３、１３などの光学素子を水平方向に並置して構成した例を示している。
破線で示されている照射領域８の径φｂは入射部１１の対角線とほぼ一致するように構成されている。照射領域８に照射された光のうち、その中心部分に相当する入射部１１に入射した光が利用されるが、図３で説明したようにＰ／Ｓ変換されて、図４（ｂ）に示されているようにその水平方向の幅が２Ｔａとされている出射部１６から出射される。
【００２７】
これにより、ランプ１の径が入射部１１の対角線よりも大きいような構成となる場合でも、集光レンズ４、凹平レンズ５によって、入射部１１の対角線に対応した領域を照射することができる平行光を形成することができる。この場合、平行光の径φｂと入射部１１の対角線をほぼ一致させるようにすることにより、入射部１１全域に渡って最も効率良く平行光の入射を行なうことが可能である。
また、入射部１１に入射する平行光はランプ１からの光を集中させるように形成されているので、光量を失わずにＰ／Ｓ変換を行ない光の有効利用を図るとともに、輝度を向上することが可能である。
【００２８】
また、図３に示す矢印Ｈを例えば垂直方向として、上記した偏光ビームスプリッタ１３、１３などの光学素子を垂直方向に並置して偏光変換ブロック１７を構成すると図５（ａ）（ｂ）に示されているようになる。
図５（ａ）に示されている偏光変換ブロック１７は、入射部１８の対角線が照射領域８ｒの径φｂｒに対応し、垂直方向の幅がＴｂｒとして構成され、その上下にマスク１９、１９が形成されている。
これにより、図５（ｂ）に示されているように垂直方向の幅が２Ｔｂｒとされている出射部２０からは、図３に示した場合と同様にしてＰ／Ｓ変換された光が出射される。この場合も、入射部１８に集中されたランプ１の光が、入射部１８の例えば２倍の面積とされる出射部２０から出射される。
【００２９】
ところで、図１１で説明した単板式液晶プロジェクタ装置の場合、色分離部４３によって行なわれるＲＧＢ各色光の分離は、水平方向に所定の角度を以て行なわれるので、ランプから光は水平方向の平行度が要求される。しかし、垂直方向の平行度に関しては、液晶パネルの画素配列などの条件にもよるが、特に縦方向のストライプによって画素が配列される構成とされている場合、厳密な平行度が要求されるわけではない。そこで、液晶パネルの外側の領域を照射する光を例えばレンズなど光偏向手段によって屈折させ、液晶パネル内に照射することによって有効に利用することも考えられる。
【００３０】
図６は第二の実施の形態として光偏向手段を備えた照明装置の構成例を示す図である。
ランプ１ａはリフレクタ２ａ内に発光部３ａが配置されているが、このリフレクタ２ａはその開口部の径がφａとされ、出射された光を凹平レンズ５に対して径φｂの照射領域を以て集光するように構成されている。凹平レンズ５はランプ１ａから入射した光を平行光に変換して出射するが、この図に示す例では、出射側に集光レンズ２１を配置して、凹平レンズ５によって変換された平行光を被照射面７に集中させるように屈折するように構成されている。
【００３１】
集光レンズ２１は図７に平面図が示されている。その中央部分は例えば凹部２１ａとして構成され、その垂直方向の幅は、被照射面７の垂直方向の幅と同等に構成されており、凹平レンズ５の中心部付近から入射した平行光をそのまま平行光として出射する。この凹部２１ａの両端に形成されている傾斜部２１ｂ、２１ｃは、凹平レンズ５の周辺部付近から出射する光を屈折して被照射面７に対して入射させることができる傾斜角度を以て構成されている。
なお、集光レンズ２１の凹部２１ａに相当する中央部分は平面で構成されていれば良いので、必ずしも凹形状として構成される必要はない。例えば図６に示す傾斜部２１ｂ、２１ｃの間において破線で示されているような平面として、側面から見た形状として例えば台形となるように構成しても良い。
【００３２】
図６に示したように集光レンズ２１を配置した場合の照射領域について図８（ａ）（ｂ）にしたがい説明する。
図８（ａ）は集光レンズ２１を用いない場合の照射領域８を示している。この場合ハッチングで示されている液晶パネル５以外の領域の光は無駄になってしまうが、集光レンズ２１を配置すると図８（ｂ）に示されているように被照射面７の上方、及び下方の領域の光を屈折させて重ね合わせるようにして被照射面７に対して入射させることができるようになる。
【００３３】
ところで、凹平レンズ５、偏光変換ブロック１７、及び集光レンズ２１を組み合わせて光学系を構成することにより、各光学素子による相乗効果を得ることができ、より光輝度の画像を得ることができるようになる。この場合、偏光変換ブロック１７を液晶パネルの直前に配置することにより、照射領域の集光効果と例えば垂直方向の重ね合わせの点でも有効な構成となる。
【００３４】
凹平レンズ５、偏光変換ブロック１７、及び集光レンズ２１を組み合わせて構成した液晶プロジェクタ装置の光学系を例えば上方から見た場合を図９に示す。 この図に示す光学系では、リフレクタ２から出射された光を凹平レンズ５によって平行光に変換された後に、図８に示した場合と同様にして集光レンズ２１によって集光される。ここでは、色分離部２２の後段に配置されている偏光変換ブロック１７の入射部１８に対して光が集中するようにされる。そして偏光変換ブロック１７から出射される光は図１１に示した液晶部４８に相当する液晶パネル２３によって光変調され、投射レンズ２４によって投写される。
【００３５】
偏光変換ブロック１７の入射部１８における照射領域としては図１０に示されているようになる。
図示されているように、本来入射部１８の上方及び下方（マスク１９、１９に）に入射すべき光を屈折させて、ハッチングで示されているように入射部１８上で重ね合わせるようにしている。
これにより、ランプの光を凹平レンズ５及び集光レンズ２１によって入射部１８に集中させ、さらに、偏光変換ブロック１７によるＰ／Ｓ変換によって光の有効利用を図ることができるといった相乗効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明は、ランプから出力される光のうち、従来では利用することができなかった領域に照射される光を有効に利用することができるので、例えば液晶パネルなどの被照射面に対して効率良い照射を行なうことができる。これにより、照射面積当たりの輝度を向上することができ、より高輝度の画像を形成することができるようになる。
また、本発明はランプや被照射面の構成はそのままで、ランプの前方に集光手段とされるレンズを設けることによって構成することができるので、容易かつ低価格で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態における照明装置の構成を説明する図である。
【図２】図１に示す照明装置の照射領域を説明する図である。
【図３】偏光変換ブロックの入射部を被照明面とした場合の説明図である。
【図４】偏光変換ブロックの入射部とランプの照射領域の関係を説明する図である。
【図５】偏光変換ブロックの入射部とランプの照射領域の関係を説明する図である。
【図６】本発明の第二の実施の形態における照明装置の構成を説明する図である。
【図７】図６に示す集光レンズの正面図である。
【図８】図６に示す照明装置の照射領域を説明する図である。
【図９】本発明を単板式液晶プロジェクタ装置に適用した場合の構成例を説明する図である。
【図１０】図９に示す偏光変換ブロックの入射部におけるランプの照射領域を説明する図である。
【図１１】単板式液晶プロジェクタ装置の光学系の一例を説明する図である。
【図１２】図１１に示す液晶パネルの構成及びＲＧＢ各色光の光路を説明する図である。
【符号の説明】
１ ランプ、２ リフレクタ、３ 発光部、４，２１ 集光レンズ、５、凹平レンズ、６，８，８ｒ 照射領域、７ 被照射面、１０、１７ 偏光変換ブロック、１１、１８ 入射部、１６、２０ 出射部

Claims (3)

1. 少なくとも、ランプから出射した光を光変調して画像を形成する光変調手段と、
   前記光変調手段で形成された画像を投射する投射手段と、
   を備えた表示装置に用いられる照明装置として、
   前記ランプから出射される光の照射領域が、前記ランプの開口部より小さく集光された平行光として出力する集光手段と、
   遮光マスク間に形成された入射部より入射した前記集光手段からの光を第一の偏波光及び第二の偏波光に分離した後に、前記第二の偏波光を前記第一の偏波光に変換して所定方向に幅が広げられた光束として出力する偏光変換手段と備え、
   前記集光手段による照射領域の径は前記入射部の対角線の長さに対応し、前記偏光変換手段から出力された光束の前記所定方向の幅は前記光変調手段の水平又は垂直方向の幅に対応していること
   を特徴とする照明装置。
2. 前記集光手段から出射され前記被照射面に入射しない領域に照射される前記所定方向と異なる方向の光を偏向して、前記被照射面内に照射することができるように構成されている光偏向手段を設けたこと
   を特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光変調手段は画素に対応するマイクロレンズを有すると共に、前記光変調手段と前記光偏向手段との間に設けられ、入射光を互いに異なる角度で出射する色光に分離して前記光変調手段に出力する色分離部を備え、前記光偏向手段が光を偏向する方向は、前記色分離部により前記色光に分離される方向と異なっていること
   を特徴とする請求項２に記載の照明装置。

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